專利名稱：半導(dǎo)體化學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的屬于化學(xué)傳感器，尤其涉及功能化的半導(dǎo)體傳感器。
背景技術(shù)：
化學(xué)傳感器具有大量的用途。例如，某些化學(xué)傳感器可以快速且有效地辨別或測(cè)出環(huán)境氣體，便于醫(yī)學(xué)診斷和監(jiān)測(cè)，或者檢測(cè)出危險(xiǎn)狀態(tài)。此外，某些化學(xué)傳感器可用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物，包括某些發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放物。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放的監(jiān)測(cè)可改善對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)操作參數(shù)的控制以減少某些有害化學(xué)品的排放或提高機(jī)器的性能。
可以得到許多類型的化學(xué)傳感器。這樣的傳感器可包括例如功能化的電或光材料。這些功能化材料具有置于電或光活性材料表面上的有機(jī)染料層?？蓪⒂袡C(jī)染料層選擇成選擇性地與周圍環(huán)境中的物質(zhì)互相作用。另外，這些有機(jī)染料和一定的化學(xué)物質(zhì)之間的互相作用可使下層的電或光活性材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生可以測(cè)量到的變化。
一種化學(xué)傳感器在美國(guó)專利公開(kāi)出版物2004/0072360中有所揭示，該出版物在2005年4月15日以Naaman的名義出版。’360出版物提供了一種監(jiān)測(cè)一氧化氮(NO)的半導(dǎo)體裝置。該裝置包括一層半導(dǎo)體材料、至少一層附加的絕緣層或半導(dǎo)體層、以及一層可以粘結(jié)NO的多功能有機(jī)分子。’360出版物還包括與半導(dǎo)體材料層電接觸的兩片墊片。
雖然’360出版物的裝置可用于某些應(yīng)用場(chǎng)合，但該裝置還是有一些缺點(diǎn)?！?60出版物的裝置被具體描述為用于生物樣本中。這樣的樣本通常只存在諸如實(shí)驗(yàn)室之類的受控環(huán)境中，在這些環(huán)境中可以輕易地控制諸如溫度之類的環(huán)境條件。另外，’360出版物的裝置不包括在用于變化相對(duì)較快且環(huán)境條件難以控制的環(huán)境中時(shí)控制裝置溫度的設(shè)備，而這樣的環(huán)境會(huì)存在于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流中。此外，’360出版物的裝置會(huì)較難生產(chǎn)且成本高。
本發(fā)明旨在克服已有技術(shù)化學(xué)傳感器中的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題或缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面包括一種化學(xué)傳感器?；瘜W(xué)傳感器包括一半導(dǎo)體層、置于半導(dǎo)體層的一表面上的一有機(jī)化學(xué)層、以及被構(gòu)造成用來(lái)加熱半導(dǎo)體層的一加熱元件。
本發(fā)明的第二個(gè)方面包括一種測(cè)量一氣體濃度的方法。該方法包括選擇一化學(xué)傳感器，該傳感器包括一半導(dǎo)體材料和置于半導(dǎo)體材料的一表面上的一有機(jī)化學(xué)層；將該半導(dǎo)體材料加熱到一預(yù)定的溫度；以及測(cè)量半導(dǎo)體層中與有機(jī)化學(xué)層接觸的區(qū)域的導(dǎo)電性。
本發(fā)明的第三個(gè)方面包括一種廢氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一化學(xué)傳感器和一機(jī)器控制單元。該化學(xué)傳感器包括一半導(dǎo)體層、置于半導(dǎo)體材料的一表面上的一有機(jī)化學(xué)層、以及被構(gòu)造成用來(lái)加熱半導(dǎo)體層的一加熱元件。該機(jī)器控制單元被構(gòu)造成用來(lái)根據(jù)來(lái)自化學(xué)傳感器的測(cè)量結(jié)果調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)機(jī)器工作參數(shù)。


圖1示出了根據(jù)所揭示的一個(gè)示例性實(shí)施方式的、包括廢氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的廢氣系統(tǒng)。
圖2A示出了根據(jù)所揭示的一個(gè)示例性實(shí)施方式的化學(xué)傳感器的立體圖。
圖2B示出了根據(jù)所揭示的一個(gè)示例性實(shí)施方式的化學(xué)傳感器橫截面圖。
圖3示出了根據(jù)所揭示的一個(gè)示例性實(shí)施方式的生產(chǎn)化學(xué)傳感器的方法。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)所揭示的一個(gè)示例性實(shí)施方式的、包括廢氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)12的廢氣系統(tǒng)10。廢氣系統(tǒng)10包括一發(fā)動(dòng)機(jī)14，該發(fā)動(dòng)機(jī)被構(gòu)造成向廢氣管道18供應(yīng)廢氣流16。廢氣管道18可包括多個(gè)附加的廢氣系統(tǒng)組件20、22，比如一個(gè)或多個(gè)催化劑、過(guò)濾器、廢氣系統(tǒng)燃燒器、氧氣傳感器、附加的供應(yīng)系統(tǒng)和任何其它適當(dāng)?shù)膹U氣系統(tǒng)組件。
如圖所示，廢氣系統(tǒng)10是可以在柴油卡車上看到的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣系統(tǒng)。然而，廢氣系統(tǒng)10也可包括任何合適的廢氣系統(tǒng)。例如，廢氣系統(tǒng)10可包括用于諸如起重機(jī)、自動(dòng)傾斜卡車、推土機(jī)、遠(yuǎn)洋輪、發(fā)電機(jī)組或任何其它適用的機(jī)器之類的任何合適的工作機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣系統(tǒng)。此外，廢氣系統(tǒng)10可包括用于任何其它工業(yè)機(jī)械或工作場(chǎng)合的廢氣管道，比如用于工廠、燃用化石燃料的電廠、精煉廠、化學(xué)處理廠或任何其它的機(jī)器、設(shè)備或操作場(chǎng)合，在這些場(chǎng)合中會(huì)需要監(jiān)測(cè)和/或控制一種或多種化學(xué)物質(zhì)的生成。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)12包括一個(gè)化學(xué)傳感器26以及一個(gè)或多個(gè)控制單元28。可將化學(xué)傳感器26構(gòu)造成用來(lái)檢測(cè)和/或測(cè)量包含在廢氣流16中的一種或多種化學(xué)物質(zhì)的濃度?；瘜W(xué)傳感器26可向控制單元28提供一個(gè)表示測(cè)量到的化學(xué)物質(zhì)的存在和/或濃度的信號(hào)。然后控制單元28會(huì)根據(jù)來(lái)自化學(xué)傳感器26的測(cè)量結(jié)果調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)14或一個(gè)或多個(gè)廢氣系統(tǒng)組件20、22的工作。
控制單元28可包括多種合適的控制單元類型。例如，控制單元28可包括電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，可將該單元構(gòu)造成響應(yīng)于包括來(lái)自化學(xué)傳感器26的測(cè)量結(jié)果的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境變量來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)14的工作參數(shù)。
可將控制單元28和傳感器26構(gòu)造成用來(lái)測(cè)量并響應(yīng)于廢氣流16中的各種化學(xué)物質(zhì)。例如，在某些實(shí)施方式中，可將化學(xué)傳感器26構(gòu)造成用來(lái)檢測(cè)或測(cè)量諸如氨氣、一氧化氮(NO)、二氧化氮、氧氣、硫化物、一氧化碳和/或其它合適的化學(xué)物質(zhì)之類的一種或多種化學(xué)物質(zhì)的濃度，而可將控制單元28構(gòu)造成用來(lái)響應(yīng)于傳感器26所測(cè)得的任何化學(xué)物質(zhì)的濃度。
在某些實(shí)施方式中，可將控制單元28構(gòu)造成用來(lái)控制廢氣排放或機(jī)器性能。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，會(huì)希望控制來(lái)自廢氣系統(tǒng)10的NO或其它化學(xué)物質(zhì)的排放，或使之最小化?？刂茊卧?8可調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)14或廢氣系統(tǒng)10的工作參數(shù)以控制NO或其它化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生、消除和/或釋放。在其它的實(shí)施方式中，控制單元28可控制機(jī)器的性能特征，這些性能特征會(huì)與廢氣的濃度相關(guān)。這樣的性能特征可包括例如功率輸出、燃料效率、溫度、噪音水平、振動(dòng)或其它與廢氣的化學(xué)濃度相關(guān)的性能特征。
控制單元28可通過(guò)調(diào)整各種不同的系統(tǒng)變量來(lái)控制廢氣濃度或性能特征。這樣的變量可包括發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出、空氣-燃油比、廢氣系統(tǒng)添加劑濃度、發(fā)動(dòng)機(jī)或廢氣溫度、廢氣壓力和/或任何其它的適當(dāng)?shù)囊蛩亍?br> 如圖所示，傳感器26位于發(fā)動(dòng)機(jī)14的下游且在催化劑20、22之間。然而，傳感器26可位于許多合適的廢氣管道位置處，且可適用多個(gè)傳感器26。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器26可恰好位于發(fā)動(dòng)機(jī)14的下游，從而可在進(jìn)行清潔、催化或其它的處理進(jìn)行之前測(cè)量廢氣的化學(xué)成分。在另一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器26可位于某些廢氣系統(tǒng)組件的上游或下游，從而可監(jiān)測(cè)所選擇的廢氣系統(tǒng)組件對(duì)廢氣流中化學(xué)物質(zhì)濃度的影響。在再一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器26可位于廢氣管道18端部附近，從而可以監(jiān)測(cè)某些化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境的排放情況。
圖2A示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式的化學(xué)傳感器26的更加詳細(xì)的視圖。如圖所示，化學(xué)傳感器26包括被置于半導(dǎo)體層32上的有機(jī)化學(xué)層30。兩個(gè)電極34、36被放置成在有機(jī)化學(xué)層30的區(qū)域中與半導(dǎo)體層32電接觸?？蓪⒓訜嵩?8(如圖2B所示，該圖是圖2A在線40處的橫截面)構(gòu)造成用來(lái)加熱半導(dǎo)體層32，而整個(gè)傳感器26可由一絕緣基片42支承。
如圖2A-2B所示，化學(xué)傳感器26包括放置在基片42上的單個(gè)傳感器26。然而，在某些實(shí)施方式中，化學(xué)傳感器26可包括多個(gè)傳感器。例如，化學(xué)傳感器26可包括一個(gè)陣列的傳感器26，這些傳感器可位于單個(gè)基片42上或在多個(gè)基片42上。另外，在一個(gè)傳感器陣列中的每個(gè)傳感器26可被構(gòu)造成用來(lái)檢測(cè)和/或測(cè)量一種或多種經(jīng)選擇的化學(xué)物質(zhì)。在某些實(shí)施方式中，可將兩個(gè)或更多傳感器26構(gòu)造成用來(lái)測(cè)量同一種化學(xué)物質(zhì)，由此在一個(gè)傳感器失靈時(shí)提供備用傳感器。
圖3示出了制造化學(xué)傳感器26的方法。如圖所示，該方法包括選取合適的基片材料42(步驟1)；向基片42施加加熱元件38(步驟2)；在加熱元件38的區(qū)域中向基片42施加半導(dǎo)體層32(步驟3)；向半導(dǎo)體層32施加電極34、36(步驟4)；以及施加有機(jī)化學(xué)層30(步驟5)。
基片材料42可從多種合適的基片中選取。例如，基片材料42可包括多種合適的陶瓷、玻璃或聚合材料?？蛇x取具體的基片材料42以向化學(xué)傳感器26提供足夠的機(jī)械支承、為半導(dǎo)體層30提供熱和/或電絕緣、以及/或者與化學(xué)傳感器26的組件相連或與之粘結(jié)，這些組件包括半導(dǎo)體層32和加熱元件38。在一個(gè)實(shí)施方式中，基片材料42可包括石英。
可將加熱元件38施加于基片42。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱元件38可包括電阻加熱元件，可將該元件構(gòu)造成用來(lái)加熱半導(dǎo)體層32。一個(gè)合適的電阻加熱元件可包括兩個(gè)或多個(gè)加熱元件電極44、46(如圖3中所示)，這些電極將與主加熱元件體48形成電連接。加熱元件電極44、46將向加熱元件主體48提供電流。電流將為加熱元件主體48和半導(dǎo)體層32提供電阻加熱。
加熱元件38(包括加熱元件主體48和電極44、46)可與半導(dǎo)體層32電絕緣。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，可將絕緣材料39(如圖2B所示)施加在加熱元件38上。絕緣材料39可包括任何合適的電絕緣體。在一個(gè)實(shí)施方式中，絕緣材料39可包括與制造基片42的材料相同的材料。在一個(gè)實(shí)施方式中，絕緣材料39會(huì)包括石英。加熱元件38與半導(dǎo)體層32的電絕緣可避免流過(guò)加熱元件38的電流影響傳感器26的測(cè)量。
加熱元件主體48和加熱元件電極44、46可由多種合適的材料制成。例如，加熱元件電極44、46可由任何合適的導(dǎo)電材料制成，比如金、銅、鉑和/或任何其它的導(dǎo)體。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱元件主體48可由導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成，這些材料可由電流加熱。例如，加熱元件主體48可由與加熱元件電極44、46相同的材料或其它材料制成。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱元件主體48可由諸如硅、摻雜硅、或任何其它合適的半導(dǎo)體材料制成。
接下來(lái)，可以向基片42施加半導(dǎo)體層32。在一個(gè)實(shí)施方式中，可將半導(dǎo)體層32施加在加熱元件38上或位于加熱元件38附近，從而可將來(lái)自加熱元件38的熱能傳導(dǎo)給半導(dǎo)體層32。
半導(dǎo)體層32可包括許多合適的半導(dǎo)體材料或材料的組合。例如，半導(dǎo)體層32可包括IV、II-VI、IV-VI或III-V族半導(dǎo)體中的任意一種。合適的IV族半導(dǎo)體可包括硅、n型硅和p型硅。合適的IV-VI族半導(dǎo)體可包括例如二氧化錫(SnO2)。合適的II-VI族半導(dǎo)體可包括諸如鎘(Cd)和鋅(Zn)之類的II族元素和諸如硫(S)、硒(Se)和碲(Te)之類的VI族元素。合適的III-V族半導(dǎo)體可包括諸如鎵(Ga)和銦(In)之類的III族元素和諸如砷(As)和磷(P)之類的V族元素。
在一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體層32可包括從過(guò)渡金屬硫化物、過(guò)渡金屬氧化物、過(guò)渡金屬硒化物和過(guò)渡金屬碲化物中選取的半導(dǎo)體材料。例如，合適的過(guò)渡金屬硫化物可包括硫化鋅(ZnS)和硫化鎘(CdS)；合適的過(guò)渡金屬硒化物可包括硒化鋅(ZnSe)和硒化鎘(CdSe)；合適的過(guò)渡金屬碲化物可包括碲化鋅(ZnTe)和碲化鎘(CdTe)；且合適的過(guò)渡金屬氧化物可包括氧化鋅(ZnO)和氧化鎘(CdO)。
可以多種合適的形式來(lái)設(shè)置半導(dǎo)體層32。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，可將半導(dǎo)體層32制成多晶薄膜?？刹捎枚喾N合適的工藝來(lái)制造這樣的薄膜。例如，一種合適的半導(dǎo)體層32可用許多不同的物理蒸汽沉積工藝來(lái)制造。此外，可通過(guò)將含有一種或多種半導(dǎo)體組成元素的溶液刷涂或噴涂到基片42上來(lái)制造合適的薄膜。然后可將該溶液干燥以留下合適的半導(dǎo)體薄膜?？梢赃x擇任何合適的沉積工藝，而具體的沉積工藝的選擇要基于成本、使用難易度、可重復(fù)生產(chǎn)性和/或任何其它的因素。
然后可將電極34、36施加于半導(dǎo)體層32。電極34、36可形成與半導(dǎo)體層32的電連接，且將電極34、36構(gòu)造成用來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體層32的電特性。在一個(gè)實(shí)施方式中，可將電極34、36構(gòu)造成用來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體層32的一個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電系數(shù)或電阻系數(shù)。特別地，可將電極34、36構(gòu)造成用來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體層32上由有機(jī)化學(xué)層30覆蓋的部分的導(dǎo)電系數(shù)和電阻系數(shù)。
電極34、36可由多種合適的材料制成并具有許多結(jié)構(gòu)。例如，電極34、36可由合適的導(dǎo)體制成，比如金、銅、鉑和/或任何其它合適的導(dǎo)電材料。此外，可通過(guò)將預(yù)先形成的電極34、36連接于半導(dǎo)體層32來(lái)施加電極34、36。或者，對(duì)于尺寸較小的情況，可使用物理蒸汽沉積、影印或任何合適的電氣制造技術(shù)來(lái)制造電極34、36，這些技術(shù)可將電極材料直接沉積在半導(dǎo)體層32上。
如圖所示，電極34、36包括一對(duì)互相交叉的電極。然而，也可選擇任何其它合適的電極結(jié)構(gòu)。例如，電極34、36可包括一對(duì)平面電極、彎曲電極或任何其它合適的電極形狀。可選擇具體的電極結(jié)構(gòu)來(lái)提供足夠的表面面積以測(cè)量所需的電特性，使測(cè)量的精確度最大或使成本最低。
接下來(lái)可將有機(jī)化學(xué)層30施加于半導(dǎo)體層32。如圖所示，在生成電極34、36之后施加有機(jī)化學(xué)層30。然而，在某些實(shí)施方式中，可在電極34、36之前或同時(shí)施加有機(jī)化學(xué)層30?？蓪⒂袡C(jī)化學(xué)層30施加在半導(dǎo)體層32中位于電極34、36之間的區(qū)域，從而有機(jī)化學(xué)層30可影響半導(dǎo)體層32中電極34、36之間區(qū)域的電特性。
有機(jī)化學(xué)層30可包括多種合適的化學(xué)物質(zhì)，可選擇這些物質(zhì)以與一種或多種所要檢測(cè)或測(cè)量的化學(xué)物質(zhì)選擇性地進(jìn)行反應(yīng)。此外，可選擇具體的化學(xué)物質(zhì)與半導(dǎo)體層32相互作用，從而包括電和光特性在內(nèi)的半導(dǎo)體層32的某些特性將受到有機(jī)化學(xué)層30的影響。在一個(gè)實(shí)施方式中，可將有機(jī)化學(xué)層30構(gòu)造成用來(lái)根據(jù)一種或多種廢氣化學(xué)物質(zhì)的濃度產(chǎn)生半導(dǎo)體層32的電特性的變化。
在某些實(shí)施方式中，有機(jī)化學(xué)層30可包括一種或多種有機(jī)染料。合適的染料可包括多種不同的卟啉和/或酞菁。可根據(jù)許多的因素來(lái)選擇具體的卟啉和/或酞菁。例如，對(duì)卟啉和/或酞菁的選擇可以根據(jù)它們對(duì)所要檢測(cè)的化學(xué)物質(zhì)的選擇性、它們與半導(dǎo)體層32粘結(jié)的能力、它們?cè)谏吡说臏囟认碌姆€(wěn)定性、它們對(duì)所要檢測(cè)的化學(xué)物質(zhì)的響應(yīng)性、成本以及任何其它合適的因素。
可選擇某些卟啉和/或酞菁以與半導(dǎo)體層32粘結(jié)而不需要一定的粘結(jié)部分。例如，某些卟啉和/或酞菁可與過(guò)渡金屬氧化物、硒化物、硫化物和碲化物的氧、硫、硒或碲原子粘結(jié)。因此，在某些實(shí)施方式中，半導(dǎo)體層32可包括過(guò)渡金屬氧化物、硒化物、硫化物和碲化物以便于有機(jī)化學(xué)層30與半導(dǎo)體層32粘結(jié)。
可根據(jù)與一種或多種化學(xué)傳感器26所要檢測(cè)的化學(xué)物質(zhì)的選擇反應(yīng)性來(lái)選擇合適的有機(jī)染料。在某些實(shí)施方式中，可選擇對(duì)NO具有某種程度的選擇性反應(yīng)性的卟啉和/或酞菁。例如以下所示的氯化正鐵血紅素IX(FePh)、5，10，15，20-四苯基-21H，23H-卟吩(TPP)和酞菁鐵(II)(FePc)各自可提供合適的對(duì)NO的選擇性。
或者，可選擇對(duì)氨具有某種程度的選擇性反應(yīng)性的卟啉和/或酞菁。例如，以下所示的氯化5，10，15，20-四苯基-21H，23H-卟吩錳(III)(MnTPP)和八乙基卟吩鎳(II)(NiOEP)可提供合適的對(duì)氨的選擇性。
另外，可選擇對(duì)二氧化氮(NO2)具有某種程度的選擇性反應(yīng)性的卟啉和/或酞菁。例如以下所示的酞菁鉛(II)(PbPc)可提供對(duì)NO2的合適的選擇性。
應(yīng)該注意的是，所描述的卟啉和酞菁可與某些半導(dǎo)體材料相粘結(jié)而不需要額外的粘結(jié)部分。例如，卟啉和酞菁各自可與各種過(guò)渡金屬硫化物、氧化物、碲化物和硒化物相粘結(jié)而不需要諸如羧基、酯之類的粘結(jié)組或其它粘結(jié)組。粘結(jié)機(jī)制可主要由包括諸如鐵或鉛之類的金屬的卟啉或酞菁的中心核與過(guò)渡金屬硫化物、氧化物、碲化物和硒化物的硫、氧、碲和硒原子之間的相互作用決定。
可使用許多合適的工藝來(lái)制造有機(jī)化學(xué)層30。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，可使用溶劑澆注技術(shù)來(lái)制造有機(jī)化學(xué)層30。溶劑澆注可包括將一種或多種選擇好的卟啉或酞菁溶解到諸如乙醇之類的一種溶劑中。然后可將該溶液散布到所要覆蓋的區(qū)域上并在惰性氣體中干燥?？梢灾貜?fù)該工藝直到完全覆蓋為止或直到獲得所需的厚度為止。例如，在某些實(shí)施方式中，可進(jìn)行一次、一到五次或一到十次溶劑澆注工藝。
例子一氧化氮敏感半導(dǎo)體的制造首先，在石英基片上生成CdS薄膜。石英基片是10mm×30mm×3mm，但任何合適的尺寸都可采用。將N，N’-二乙基二硫代氨基甲酸鎘溶解到N，N’-二甲基甲酰胺中(重量百分比1％)。將該溶液噴涂于被加熱到350℃的石英基片上直到其干燥以形成CdS薄膜為止。
接下來(lái)，將氯化正鐵血紅素IX(FePh)溶解到200標(biāo)準(zhǔn)酒精度的乙醇中以生成大約為10-5摩爾濃度的FePh。在CdS半導(dǎo)體上滴三滴以覆蓋整個(gè)半導(dǎo)體表面，且該材料在氮?dú)饬飨赂稍?。將該過(guò)程再重復(fù)四次以設(shè)置五層FePh。沉積五層以下會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的FePh層，而多于五層會(huì)在溶劑揮發(fā)后產(chǎn)生固體團(tuán)塊。通過(guò)使用10-5摩爾濃度的FePc和TPP重復(fù)同樣的過(guò)程可以再制造兩個(gè)傳感器。
上述材料可用于測(cè)量廢氣濃度。然而，包括半導(dǎo)體導(dǎo)電性在內(nèi)的半導(dǎo)體特性受到溫度的影響很大。另外，在機(jī)器的使用過(guò)程中，廢氣溫度的變化會(huì)相對(duì)較快。因此，為了精確地監(jiān)測(cè)化學(xué)濃度，需要使用加熱元件38來(lái)加熱半導(dǎo)體層32，正如在前所述的。
可將加熱元件38構(gòu)造成用來(lái)將半導(dǎo)體層32加熱到預(yù)定的溫度或溫度范圍。在某些實(shí)施方式中，可將加熱元件38構(gòu)造成用來(lái)將半導(dǎo)體層32的溫度保持在一個(gè)較窄的溫度范圍內(nèi)，從而減少由于溫度波動(dòng)而帶來(lái)的測(cè)量變化或使之最小。例如，在某些實(shí)施方式中，可將加熱元件38構(gòu)造成用來(lái)將半導(dǎo)體層32的溫度保持在大約20度、大約10度和大約5度的范圍內(nèi)，或者在大約1度的范圍內(nèi)。另外，可根據(jù)工作機(jī)械廢氣溫度、所使用的化學(xué)傳感器、傳感器穩(wěn)定性或任何其它的合適的因素來(lái)選擇最大溫度。在某些實(shí)施方式中，最大溫度可大到500℃、400℃、300℃或200℃。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明提供了用于檢測(cè)和測(cè)量化學(xué)物質(zhì)濃度的化學(xué)傳感器26。傳感器26可用于任何需要監(jiān)測(cè)化學(xué)濃度的地方。
本發(fā)明的化學(xué)傳感器26包括一功能化的半導(dǎo)體材料，該材料具有依賴于所選擇的化學(xué)物質(zhì)的濃度的物理特性。功能化的半導(dǎo)體材料包括比單晶半導(dǎo)體材料制造簡(jiǎn)單且廉價(jià)的多晶薄膜半導(dǎo)體32。該半導(dǎo)體材料可包括過(guò)渡金屬氧化物、硒化物、硫化物和/或碲化物，它們可與一功能化的有機(jī)化學(xué)層30相粘結(jié)而不需要附加的化學(xué)粘結(jié)部分，且在溫度升高時(shí)性質(zhì)穩(wěn)定。
化學(xué)傳感器26還包括一加熱元件38，該加熱元件可比在環(huán)境溫度下工作的傳感器提供更加精確的傳感和改進(jìn)的響應(yīng)時(shí)間。在包括廢氣管道在內(nèi)的某些環(huán)境下會(huì)受到寬幅且快速的溫度波動(dòng)。這些溫度波動(dòng)會(huì)大大影響某些功能化的半導(dǎo)體的校準(zhǔn)和/或精確度?？蓪訜嵩?8的本發(fā)明的化學(xué)傳感器26加熱到預(yù)定的溫度范圍中，從而減少由于溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的測(cè)量變化和校準(zhǔn)誤差。此外，半導(dǎo)體化學(xué)傳感器可具有取決于溫度的響應(yīng)時(shí)間，這一時(shí)間通常會(huì)在一較高的溫度下變短。因此，本發(fā)明的化學(xué)傳感器26會(huì)具有比在環(huán)境溫度下工作的傳感器更短的響應(yīng)時(shí)間。較短的響應(yīng)時(shí)間可提供更快和更精確的測(cè)量以及經(jīng)改進(jìn)的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的控制。
對(duì)于那些熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員來(lái)說(shuō)，顯然可以對(duì)所揭示的系統(tǒng)和方法進(jìn)行各種修改和變化而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍。在閱讀了說(shuō)明書(shū)和此處所揭示的實(shí)施方式之后，所揭示的系統(tǒng)和方法的其它實(shí)施方式那些熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員是顯而易見(jiàn)的。應(yīng)該認(rèn)為說(shuō)明書(shū)和例子只是示例性的，而本發(fā)明的實(shí)際范圍由所附權(quán)利要求及其等效內(nèi)容來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)傳感器，包括一半導(dǎo)體層；一有機(jī)化學(xué)層，該有機(jī)化學(xué)層置于半導(dǎo)體層的一表面上；以及一加熱元件，該加熱元件被構(gòu)造成用來(lái)加熱半導(dǎo)體層。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，半導(dǎo)體層包括一多晶半導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，半導(dǎo)體層包括過(guò)渡金屬硫化物、過(guò)渡金屬氧化物、過(guò)渡金屬硒化物和過(guò)渡金屬碲化物中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，有機(jī)化學(xué)層包括卟啉和酞菁中的至少一種。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于，酞菁和卟啉是從包括以下物質(zhì)的組群中選取的原卟啉鐵、四苯基卟吩、八乙基卟吩、酞菁鐵和酞菁鉛。
6.一種測(cè)量一氣體濃度的方法，包括選擇一化學(xué)傳感器，該傳感器包括一半導(dǎo)體材料和置于半導(dǎo)體材料的一表面上的一有機(jī)化學(xué)層；將該半導(dǎo)體材料加熱到一預(yù)定的溫度；以及測(cè)量半導(dǎo)體層中與有機(jī)化學(xué)層接觸的區(qū)域的導(dǎo)電性。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體材料包括一多晶半導(dǎo)體材料。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，有機(jī)化學(xué)層包括卟啉和酞菁中的至少一種。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，酞菁和卟啉是從包括以下物質(zhì)的組群中選取的原卟啉鐵、四苯基卟吩、八乙基卟吩、酞菁鐵和酞菁鉛。
10.一種廢氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的化學(xué)傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種化學(xué)傳感器，該化學(xué)傳感器包括一半導(dǎo)體層、置于半導(dǎo)體層的一表面上的一有機(jī)化學(xué)層、以及被構(gòu)造成用來(lái)加熱半導(dǎo)體層的一加熱元件。
文檔編號(hào)G01N27/12GK1896730SQ20061010571
公開(kāi)日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者S·M·澤姆斯科瓦, C·F·哈貝格 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司