相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求于2014年7月22日提交的題為ULTRAFAST HUMIDITY DETECTOR FOR USE IN SPEECH AND HEALTH ANALYZERS(用于語(yǔ)音和健康分析器的超快濕度檢測(cè)器)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/027,753以及2015年6月8日提交的題為THIN-FILM RESISTIVE-BASED SENSOR(薄膜型基于電阻的傳感器)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/172,546的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，以上申請(qǐng)中的每個(gè)申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合在此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明廣泛地涉及薄膜型基于電阻的傳感器。

現(xiàn)有技術(shù)的說(shuō)明

許多應(yīng)用需要能夠檢測(cè)環(huán)境變化的傳感器。如室內(nèi)和室外氣候檢測(cè)和控制、過(guò)程控制、生物計(jì)量、醫(yī)療用途以及其他更多應(yīng)用期望對(duì)溫度、壓力或與傳感器接觸的各種分析物(包括空氣中的水分或氣體等)的變化的檢測(cè)。然而，這些傳感器對(duì)各種應(yīng)用的有用性不僅被它們準(zhǔn)確且精確地測(cè)量刺激的能力限制，還被它們?cè)诙唐诤烷L(zhǎng)期內(nèi)檢測(cè)和測(cè)量那些刺激的能力限制。當(dāng)嘗試測(cè)量需要即刻檢測(cè)的應(yīng)用(如呼吸傳感器)的濕度時(shí)，響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間是非常重要的規(guī)格參數(shù)。傳感器的響應(yīng)時(shí)間是傳感器響應(yīng)從空載到負(fù)載分步變化的步驟所花費(fèi)的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間是一旦打開(kāi)傳感器其達(dá)到穩(wěn)定輸出所花費(fèi)的時(shí)間。傳感器還必須能夠維持長(zhǎng)期穩(wěn)定性和測(cè)量，并且應(yīng)當(dāng)展示低滯后性。

環(huán)境傳感器可以檢測(cè)大氣的物理變化，如溫度、濕度、氣體或氣流。通過(guò)感測(cè)元件，傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)換元件將變化轉(zhuǎn)換成可能被傳輸和測(cè)量的電信號(hào)。在許多實(shí)踐中，在傳感器環(huán)境變化期間測(cè)量“有源”層的電子電阻。如果此測(cè)量是單值的、穩(wěn)定的且可重復(fù)的，則其可以被校準(zhǔn)并用作指示傳感器周圍環(huán)境的信號(hào)。

存在用于環(huán)境傳感器的架構(gòu)和構(gòu)成的不同方法。這些方法試圖增加有效感測(cè)能力的一個(gè)或多個(gè)特性：穩(wěn)定性、敏感性、低滯后性、可靠性、和/或準(zhǔn)確性。最基本的印刷式和/或膜型基于電阻的傳感器通常包括印刷在具有鈍化或保護(hù)覆蓋層的電介質(zhì)基板上的較薄電子“有源”感測(cè)層，所述鈍化或保護(hù)覆蓋層印刷在頂表面上。

由于非常高的滯后性、低穩(wěn)定性和低準(zhǔn)確性，因此許多現(xiàn)有技術(shù)直流型基于電阻的傳感器受低性能的困擾。因?yàn)檫@些設(shè)備通常利用基于聚合物的材料或不可預(yù)測(cè)的材料，所以高滯后性和低穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的問(wèn)題通常歸屬于用于薄膜結(jié)構(gòu)中的感測(cè)元件的材料選擇。

基于電容、感應(yīng)、光學(xué)和物理的以及利用已制定的材料的其他傳感器技術(shù)通常不遭受這種類型的低性能。然而，盡管更加可靠，但這些傳感器技術(shù)發(fā)展緩慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種換能器，所述換能器包括：阻擋層；有源感測(cè)層，所述有源感測(cè)層與至少兩個(gè)電極接觸；以及電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層在所述有源層與所述阻擋層之間并且具有第一側(cè)和第二側(cè)。所述至少兩個(gè)電極均與所述電介質(zhì)層第二側(cè)相鄰，并且所述換能器是電阻式換能器。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種包括換能器的傳感器，所述換能器包括：阻擋層；有源感測(cè)層，所述有源感測(cè)層與至少兩個(gè)電極接觸；以及電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層在所述有源層與所述阻擋層之間并且具有第一側(cè)和第二側(cè)。所述至少兩個(gè)電極均與所述電介質(zhì)層第二側(cè)相鄰，并且所述換能器是電阻式換能器。

最后，本發(fā)明提供了一種對(duì)條件的存在進(jìn)行檢測(cè)的方法。所述方法包括：將換能器引入到所述分析物可能存在的環(huán)境中。所述換能器包括：阻擋層；有源感測(cè)層，所述有源感測(cè)層與至少兩個(gè)電極接觸；以及電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層在所述有源層與所述阻擋層之間并且具有第一側(cè)和第二側(cè)。所述至少兩個(gè)電極均與所述電介質(zhì)層第二側(cè)相鄰。所述方法還包括：觀察所述換能器是否指示所述條件的存在，其中，所述存在由電阻的變化指示。

附圖說(shuō)明

圖1是示意圖，示出了本發(fā)明換能器的一個(gè)實(shí)施例；

圖2是示意圖，示出了本發(fā)明換能器的進(jìn)一步實(shí)施例，其中，有源感測(cè)層橫跨和跨越電極；

圖3是本發(fā)明換能器的另一個(gè)實(shí)施例的示意性展示，其中，所述換能器被支撐在基板上；

圖4是示意性展示，示出了進(jìn)一步實(shí)施例，其中，信號(hào)增強(qiáng)層在有源感測(cè)層上；

圖5是又另一個(gè)實(shí)施例，示出了與圖4的換能器類似的換能器，但是具有與信號(hào)增強(qiáng)層相鄰的過(guò)濾層；

圖6是另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，示出了與圖5的換能器類似的換能器，但是具有與有源感測(cè)層相鄰的過(guò)濾層；

圖7是曲線圖，示出了當(dāng)說(shuō)出“測(cè)試，一、二、三”時(shí)的濕度和音頻信號(hào)；

圖8是曲線圖，示出了換能器對(duì)濕空氣1秒脈沖的響應(yīng)；

圖9是曲線圖，描繪了與圖8中示出的換能器相同的換能器對(duì)濕空氣10分鐘脈沖的響應(yīng)

圖10是換能器對(duì)緩慢改變的濕度濃度的響應(yīng)的曲線圖；

圖11是示例3的集成溫度和分析物換能器的頂視圖和側(cè)視圖；

圖12是在聚酰亞胺基板上的溫度/分析物換能器的照片；

圖13是示例6的簡(jiǎn)單換能器結(jié)構(gòu)的頂視圖和側(cè)視圖；

圖14是在PET基板上的分立溫度換能器的照片；

圖15是示意圖，示出了使用向一個(gè)被測(cè)試的設(shè)備(“DUT”)施加V來(lái)測(cè)量電流的掃描器系統(tǒng)的陣列操作；

圖16是曲線圖，示出了環(huán)境室內(nèi)部的平均相對(duì)濕度和溫度曲線；

圖17是來(lái)自示例5的溫度換能器的滯后性曲線圖；

圖18是來(lái)自示例3的溫度換能器的滯后性曲線圖；

圖19是曲線圖，示出了14個(gè)來(lái)自示例5的溫度換能器的準(zhǔn)確性和滯后性；

圖20是曲線圖，示出了13個(gè)來(lái)自示例4的溫度換能器的準(zhǔn)確性和滯后性；

圖21是來(lái)自示例5的濕度換能器的滯后性曲線圖；

圖22是來(lái)自示例3的濕度換能器的滯后性曲線圖；

圖23是14個(gè)來(lái)自示例5的濕度換能器的準(zhǔn)確性和滯后性曲線圖；

圖24是在固定溫度和相對(duì)濕度時(shí)溫度換能器的電流對(duì)時(shí)間的曲線圖；

圖25是在60天室內(nèi)條件下8個(gè)溫度換能器的電阻對(duì)時(shí)間的曲線圖；

圖26是在固定溫度和相對(duì)濕度時(shí)濕度換能器的電流對(duì)時(shí)間的曲線圖；

圖27是在60天室內(nèi)條件下8個(gè)濕度換能器的電阻對(duì)時(shí)間的曲線圖；

圖28是示意圖，示出了用于確定分析物換能器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)設(shè)置；

圖29是曲線圖，示出了溫度換能器對(duì)來(lái)自手指的熱量的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間；

圖30是基于PEDOT:PSS的溫度換能器的響應(yīng)的曲線圖；

圖31是在說(shuō)出“你好，一、二、三”期間對(duì)熱量波動(dòng)的響應(yīng)的曲線圖；

圖32是基于PEDOT:PSS的溫度換能器的響應(yīng)的曲線圖；

圖33是曲線圖，示出了溫度/分析物傳感器的低壓I-V行為；

圖34是曲線圖，描繪了響應(yīng)于人類呼吸的溫度/分析物換能器的低功率(<30pW)操作；

圖35是曲線圖，示出了對(duì)不同的揮發(fā)性有機(jī)氣體的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間圖；

圖36是基于Zeon CNT的溫度換能器的滯后性曲線圖；

圖37是曲線圖，示出了傳感器對(duì)相對(duì)濕度變化和溫度變化的響應(yīng)；

圖38是基于半導(dǎo)體CNT的溫度換能器的滯后性曲線圖；并且

圖39是曲線圖，示出了傳感器對(duì)相對(duì)濕度變化和溫度變化的響應(yīng)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明廣泛地涉及可以被結(jié)合到傳統(tǒng)傳感器技術(shù)中的新型換能器，以及使用那些換能器來(lái)檢測(cè)某個(gè)條件存在(如溫度的變化或分析物的存在)的方法?？梢员粰z測(cè)的典型分析物包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的分析物：濕度、氣體、氣流、揮發(fā)性有機(jī)化合物(如酰胺類、醛類、醚類、酮類、酯類和醇類等VOC)、以及上述各項(xiàng)的組合。有利的是，本發(fā)明對(duì)檢測(cè)極性VOC特別有用。

1.圖1和圖2的實(shí)施例

更詳細(xì)地，并參照?qǐng)D1，示出了根據(jù)本發(fā)明的換能器的第一個(gè)實(shí)施例。換能器10包括阻擋層12，所述阻擋層具有第一側(cè)和第二側(cè)14、16。換能器10進(jìn)一步包括電介質(zhì)層18，所述電介質(zhì)層與阻擋層12相鄰。電介質(zhì)層18具有第一側(cè)和第二側(cè)20、22。如所展示的，電介質(zhì)層18的第一側(cè)20優(yōu)選地靠著阻擋層12的第二側(cè)16。

換能器10還包括至少兩個(gè)電極24a、24b。每個(gè)電極24a、24b具有對(duì)應(yīng)的側(cè)壁26a、26b以及對(duì)應(yīng)的上表面28a、28b。電極24a、24b擱置在電介質(zhì)層18的第二側(cè)22上，而上表面28a、28b遠(yuǎn)離第二側(cè)22。換能器10還包括有源感測(cè)層30，所述有源感測(cè)層具有第一側(cè)32和第二側(cè)34。有源感測(cè)層30與電介質(zhì)層18相鄰，并且如所展示的，有源感測(cè)層30的第一側(cè)32優(yōu)選地與電介質(zhì)層18的第二側(cè)22接觸，形成界面36。

重要的是，有源感測(cè)層30還與每個(gè)電極24a、24b接觸。參照?qǐng)D1，應(yīng)注意的是，有源感測(cè)層30接觸電極24a的側(cè)壁26b，以及電極24b的側(cè)壁26a。在另一個(gè)實(shí)施例中，有源感測(cè)層30適形于電極24a、24b。也就是說(shuō)，有源感測(cè)層30接觸電極24a、24b的對(duì)應(yīng)的側(cè)壁26a、26b和上表面28a、28b(參見(jiàn)圖2的換能器10a)。在另一個(gè)實(shí)施例中，電極24a、24b可以被定位在有源感測(cè)層30的頂部而不是在有源感測(cè)層30的下面(即它們的順序可以被“翻轉(zhuǎn)”)，提供的接觸仍然實(shí)現(xiàn)。由此，導(dǎo)致有源感測(cè)層30接觸兩個(gè)電極24a、24b的任何安排是可接受的。

阻擋層12

附圖中示出的阻擋層12充當(dāng)隔離層。阻擋層12被設(shè)計(jì)成用于將有源(即感測(cè))層30與可能存在的任何基板的化學(xué)和物理性質(zhì)隔離(參見(jiàn)以下)，以及用于防止環(huán)境刺激影響有源感測(cè)層30。阻擋層12的材料和性質(zhì)取決于制造的換能器的類型。阻擋層12可以是但不限于金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合物、或其混合物。所述層12可以是導(dǎo)電的或電絕緣的。此外，可以通過(guò)任何合適的技術(shù)沉積阻擋層12，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)：絲網(wǎng)印刷、噴涂、噴墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷、光刻技術(shù)、旋涂、蒸發(fā)、濺射、層壓、ALD、CVD、以及PECVD。阻擋層12的平均厚度優(yōu)選地從約50nm到約50μm，更優(yōu)選地從約100nm到約4μm，并且甚至更優(yōu)選地從約100nm到約2μm。

當(dāng)換能器是分析物換能器時(shí)，阻擋層12不應(yīng)當(dāng)與分析物化學(xué)地或物理地起反應(yīng)。由此，如通過(guò)ASTM方法D-570所測(cè)量的，優(yōu)選的是，阻擋層12具有小于約0.02％的分析物溶解度，優(yōu)選地小于約0.001％，并且更優(yōu)選地約0。如通過(guò)ASTM方法F1249所測(cè)量的，通過(guò)阻擋層12的分析物的擴(kuò)散速度應(yīng)當(dāng)小于約1g/m²/天，優(yōu)選地小于約0.01g/m²/天，并且更優(yōu)選地約0.001g/m²/天。對(duì)于濕度換能器而言，阻擋層12優(yōu)選地為疏水的，并且不允許水蒸氣保持在換能器結(jié)構(gòu)中或者在任一方向上穿過(guò)所述換能器結(jié)構(gòu)。

電介質(zhì)層18

如附圖中所展示的，電介質(zhì)層18充當(dāng)信號(hào)增強(qiáng)層，并且位于換能器電極24a、24b與阻擋層12之間。改變形成電介質(zhì)層18的材料可以大大增加來(lái)自換能器10的輸出信號(hào)的信噪比。電介質(zhì)層18優(yōu)選地具有小于約10^-11S/m的導(dǎo)電性，更優(yōu)選地小于約10^-21S/m，并且甚至更優(yōu)選地從約10^-25S/m到約10^-23S/m。電介質(zhì)層18的方塊電阻應(yīng)當(dāng)為至少約10¹⁶Ω/□，優(yōu)選地至少約10²⁶Ω/□，并且更優(yōu)選地從約10²⁹Ω/□到約10³¹Ω/□。可以通過(guò)任何合適的技術(shù)沉積電介質(zhì)層18，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)：絲網(wǎng)印刷、噴涂、噴墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷、拉桿涂層、浸涂、光刻技術(shù)、旋涂、蒸發(fā)、濺射、層壓、ALD、CVD、以及PECVD。

電介質(zhì)層18的平均厚度優(yōu)選地從約1nm到約10μm，更優(yōu)選地從約1μm到約8μm，并且甚至更優(yōu)選地從約1μm到約3μm。在使用導(dǎo)電阻擋層12的實(shí)施例中，電介質(zhì)層18應(yīng)當(dāng)大體上沒(méi)有針孔，并且優(yōu)選地沒(méi)有針孔。

在一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)層18可以與所檢測(cè)的條件或刺激起反應(yīng)。例如，在分析物換能器中，當(dāng)被分析物接觸時(shí)，電介質(zhì)層18可以經(jīng)歷化學(xué)的或物理的變化或反應(yīng)。在暴露于分析物時(shí)，這種化學(xué)的或物理的變化或反應(yīng)可以進(jìn)一步增強(qiáng)或放大來(lái)自有源感測(cè)層30的輸出信號(hào)。例如，如果電介質(zhì)層18由溶于酒精的材料制成，則設(shè)備不僅響應(yīng)于擴(kuò)散通過(guò)有源感測(cè)層的酒精，還響應(yīng)于電介質(zhì)層18的形態(tài)學(xué)變化，大大提高了總敏感性。在這種情況下，因?yàn)殡娊橘|(zhì)層18中的不可逆反應(yīng)是換能器內(nèi)的滯后性的主要原因，所以電介質(zhì)層18中的可逆反應(yīng)優(yōu)選的在不可逆反應(yīng)之上。

如通過(guò)ASTM方法F1249所測(cè)量的，當(dāng)電介質(zhì)層18起反應(yīng)時(shí)，其應(yīng)當(dāng)具有針對(duì)分析物的至少約50g/m²/天的擴(kuò)散速度，優(yōu)選地至少約500g/m²/天，并且更優(yōu)選地從約2000g/m²/天到約5000g/m²/天。如通過(guò)ASTM方法D-570所測(cè)量的，當(dāng)電介質(zhì)層18起反應(yīng)時(shí)，其應(yīng)當(dāng)具有在所述層中的至少約0.8％的分析物溶解度，優(yōu)選地至少約2.0％，并且更優(yōu)選地從約5.0％到約20％。電介質(zhì)層18可以由任何(一種或多種)非導(dǎo)電材料制成，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的非導(dǎo)電材料：聚合物(如聚酯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、光刻膠、陶瓷、金屬?gòu)?fù)合物、金屬氧化物及其混合物；并且取決于有興趣的分析物。

在另一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)層18不與所檢測(cè)的刺激起反應(yīng)。在這種情況下，當(dāng)被分析物接觸時(shí)，電介質(zhì)層18不應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷化學(xué)的或物理的變化或反應(yīng)。以此方式，電介質(zhì)層18可以表現(xiàn)為隔離層，將基板(如果存在，參見(jiàn)以下)或阻擋層12與環(huán)境信號(hào)隔離，和/或?qū)⒂性锤袦y(cè)層30與基板和/或阻擋層12影響隔離。如通過(guò)ASTM方法F1249所測(cè)量的，當(dāng)電介質(zhì)層18不起反應(yīng)時(shí)，其應(yīng)當(dāng)具有針對(duì)分析物的小于約4g/m²/天的擴(kuò)散速度，優(yōu)選地小于約1g/m²/天，并且更優(yōu)選地從約0g/m²/天到約0.001g/m²/天。如通過(guò)ASTM方法D-570所測(cè)量的，當(dāng)電介質(zhì)層18不起反應(yīng)時(shí)，其應(yīng)當(dāng)具有在所述層中的小于約0.02％的分析物溶解度，優(yōu)選地小于約0.001％，并且更優(yōu)選地約0％。不起反應(yīng)電介質(zhì)層18可以由任何(一種或多種)非導(dǎo)電材料制成，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的非導(dǎo)電材料：聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯[PTFE]、硅樹(shù)脂電介質(zhì)材料、環(huán)烯共聚物、聚偏二氟乙烯[PVDF]和聚苯乙烯)、光刻膠、陶瓷、金屬氮化物(如氮化硅)、金屬氧化物(如氧化鋁)、金屬?gòu)?fù)合物、以及上述各項(xiàng)的組合。

電極24a、24b

電極24a、24b優(yōu)選地是平面電極，但也可以是叉指式電極。優(yōu)選地，電極24a、24b具有高電子或孔洞移動(dòng)性和大載流子濃度。形成電極24a、24b的合適的材料包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的材料：銀、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、金、重?fù)诫s硅、導(dǎo)電碳納米管(CNT)、以及石墨烯油墨、鈀、銅、鋁、任何導(dǎo)電聚合物、和CNT/石墨烯導(dǎo)電聚合物復(fù)合物。優(yōu)選的材料具有到有源感測(cè)層30的低肖特基勢(shì)壘和低接觸電阻。

可以通過(guò)任何合適的技術(shù)形成電極，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)：絲網(wǎng)印刷、噴涂、噴墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷、光刻技術(shù)、旋涂、蒸發(fā)、濺射、以及激光消融。

有源感測(cè)層30

有源感測(cè)層30提供與環(huán)境變化成比例地變化的電子電阻信號(hào)。響應(yīng)于隨目標(biāo)環(huán)境電子電阻變化的目標(biāo)環(huán)境變化的任何材料可用于有源感測(cè)層30。這種電子電阻的變化可以是其電子結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或電子載體密度變化的結(jié)果。優(yōu)選地，有源感測(cè)層30的電阻從約5kΩ到約10MΩ，更優(yōu)選地從約100kΩ到約5MΩ，甚至更優(yōu)選地從約500kΩ到約2MΩ。在暴露于環(huán)境刺激時(shí)，有源感測(cè)層30的電阻應(yīng)當(dāng)與環(huán)境刺激的變化成比例地變化。優(yōu)選地，電阻的變化應(yīng)當(dāng)引起至少約每攝氏度0.1％或％相對(duì)濕度變化的輸出信號(hào)變化，并且更優(yōu)選地至少約每攝氏度0.5％或％相對(duì)濕度變化(分別針對(duì)溫度和相對(duì)濕度換能器)。

優(yōu)選地，用于形成有源感測(cè)層30的材料是可以被提供作為與電線、窄橋、桿、單獨(dú)的CNT等相反的膜或織物的平面材料。此外，有源感測(cè)層30包括具有大量缺陷狀態(tài)的無(wú)序?qū)w和導(dǎo)致不規(guī)則傳導(dǎo)路徑的片或膜形態(tài)。這種無(wú)序或不規(guī)則導(dǎo)致被利用的特定部件之間的“結(jié)”，并且這些結(jié)對(duì)有源感測(cè)層30的正常運(yùn)行很重要。用于有源感測(cè)層的合適的材料包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的材料：碳納米管(金屬的或半導(dǎo)體的)、功能化或非功能化碳納米管(CNT)結(jié)構(gòu)、非晶碳膜、熱解碳、石墨、石墨烯、碳纖維、富勒烯碳煙灰、炭黑、硅、離子注入及其他導(dǎo)電聚合物(如PEDOT:PSS、聚苯胺、聚芴、聚亞苯基、聚芘、聚薁、聚萘、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚吖庚因、聚乙炔、苯撐乙烯撐、以及聚噻吩)、摻雜金屬微粒的CNT或石墨烯、以及其復(fù)合物和混合物。當(dāng)有源感測(cè)層30從CNT中形成時(shí)，以上提到的結(jié)在管之間創(chuàng)建。在導(dǎo)電聚合物中，高導(dǎo)電結(jié)晶區(qū)域和低導(dǎo)電非晶區(qū)域合作來(lái)形成結(jié)。在其他材料中，在材料內(nèi)存在“板”合作以在有源感測(cè)層30的片或織物中形成結(jié)。

將有源感測(cè)層30選擇為很薄，像非常薄的“皮膚”，接近二維片或膜。由此，有源感測(cè)層30應(yīng)當(dāng)具有小于約1000nm的平均厚度，優(yōu)選地小于約200nm，更優(yōu)選地小于約100nm，并且甚至更優(yōu)選地從約10nm到約100nm。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，有源感測(cè)層30具有小于約30nm的平均厚度，并且優(yōu)選地從約1nm到約30nm。在這種低厚度下，有源感測(cè)層30具有可以忽略的體性質(zhì)，如質(zhì)量、體積、以及熱容量。因此，這種有源感測(cè)層30具有周圍層的化學(xué)、物理及生物特性中的許多特性，由此使選擇電介質(zhì)層18的對(duì)待感測(cè)的特定目標(biāo)或條件來(lái)說(shuō)很重要。

可以通過(guò)任何合適的技術(shù)沉積有源感測(cè)層30，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)：絲網(wǎng)印刷、噴涂、噴墨印刷、浸涂、噴槍技術(shù)、柔性版印刷、凹版印刷、光刻技術(shù)、旋涂、蒸發(fā)、濺射、層壓、ALD、CVD、以及PECVD。

界面36

電介質(zhì)層18與有源感測(cè)層30之間的界面36被認(rèn)為是“阻塞區(qū)域”。界面36不是單獨(dú)的材料或分立層，但是界面36的性質(zhì)可以通過(guò)改變界面36的本質(zhì)而被修改。在一些實(shí)施例中，阻塞區(qū)域/界面36可操作用于將進(jìn)入環(huán)境信號(hào)中的一些信號(hào)反映回至有源感測(cè)層30。在其他實(shí)施例中，可以通過(guò)處理有源感測(cè)層30的第一側(cè)32和電介質(zhì)層18的第二側(cè)22中的一者或兩者來(lái)改變界面36，如通過(guò)熱處理、輻射、氟化、UV固化、或離子注入。

2.圖3的實(shí)施例

此實(shí)施例和以下實(shí)施例提供了存在附加層的情況。可以將這些層添加到或者圖1或者圖2的實(shí)施例，然而，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，它們與圖2的實(shí)施例一起展示。圖1和圖2的實(shí)施例的相似數(shù)字表示相似部分，并且參照以上所討論的而不是每個(gè)實(shí)施例都重復(fù)相似部分。

參照?qǐng)D3，展示了換能器10b。換能器10b不同于先前實(shí)施例在于：其進(jìn)一步包括靠著阻擋層12的第一側(cè)14的基板38?；?8可以由任何數(shù)量的材料形成，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的材料：金屬、聚合物、陶瓷、硅、或單晶。優(yōu)選地，材料從包括以下各項(xiàng)的組中選擇：金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、半導(dǎo)體、玻璃、紙、以及有機(jī)聚合物。合適的金屬包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的金屬：硅、鋁、以及不銹鋼。合適的金屬氧化物包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的金屬氧化物：氧化鋁和氧化硅。合適的金屬氮化物包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的金屬氮化物：氮化硅和氮化錫。合適的有機(jī)聚合物包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的有機(jī)聚合物：聚酰亞胺(如膜)、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮(PEEK)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE，如特氟龍)、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯、環(huán)烯聚合物(如Zeonor)、環(huán)烯共聚物、聚脂、以及聚萘二甲酸乙二醇酯?；蹇梢允菍?dǎo)電的、絕緣的、柔性的、或剛性的。

3.圖4的實(shí)施例

參照?qǐng)D4，展示了采用換能器10c的形式的進(jìn)一步實(shí)施例。換能器10c類似于圖2中示出的換能器，除了其進(jìn)一步包括信號(hào)增強(qiáng)層40。信號(hào)增強(qiáng)層40具有第一側(cè)42和第二側(cè)44。信號(hào)增強(qiáng)層40的第一側(cè)42與有源感測(cè)層30的全部或部分相鄰，并且優(yōu)選地與有源感測(cè)層30的第二側(cè)34相鄰。

信號(hào)增強(qiáng)層40優(yōu)選地為電介質(zhì)材料。也就是說(shuō)，信號(hào)增強(qiáng)層40優(yōu)選地具有小于約10^-11S/m的導(dǎo)電性，更優(yōu)選地小于約10^-21S/m，并且甚至更優(yōu)選地從約10^-25S/m到約10^-23S/m。信號(hào)增強(qiáng)層40的方塊電阻應(yīng)當(dāng)為至少約10¹⁶Ω/□，優(yōu)選地至少約10²⁶Ω/□，并且更優(yōu)選地從約10²⁹Ω/□到約10³¹Ω/□?？梢酝ㄟ^(guò)任何合適的技術(shù)沉積信號(hào)增強(qiáng)層40，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)：絲網(wǎng)印刷、噴涂、噴墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷、拉桿涂層、浸涂、光刻技術(shù)、旋涂、蒸發(fā)、濺射、層壓、ALD、CVD、以及PECVD。信號(hào)增強(qiáng)層40的厚度優(yōu)選地從約50nm到約50μm，更優(yōu)選地從約100nm到約4μm，并且甚至更優(yōu)選地從約100nm到約2μm。如通過(guò)ASTM方法F1249所測(cè)量的，信號(hào)增強(qiáng)層40應(yīng)當(dāng)具有針對(duì)分析物的至少約50g/m²/天的擴(kuò)散速度，優(yōu)選地至少約500g/m²/天，并且更優(yōu)選地從約2000g/m²/天到約5000g/m²/天。在此實(shí)施例中，如通過(guò)ASTM方法D-570所測(cè)量的，信號(hào)增強(qiáng)層40優(yōu)選地具有針對(duì)非分析物的小于約1g/m²/天的擴(kuò)散速度，更優(yōu)選地小于約0.01g/m²/天，并且甚至更優(yōu)選地從約0g/m²/天到約0.001g/m²/天。

在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)增強(qiáng)層40可以與所檢測(cè)的刺激起反應(yīng)。例如，在分析物換能器中，當(dāng)被目標(biāo)分析物接觸時(shí)，信號(hào)增強(qiáng)層40可以經(jīng)歷化學(xué)的或物理的變化或反應(yīng)。在暴露于分析物時(shí)，這種化學(xué)的或物理的變化或反應(yīng)可以進(jìn)一步增強(qiáng)或放大來(lái)自有源感測(cè)層30的輸出信號(hào)。如通過(guò)ASTM方法D-570所測(cè)量的，當(dāng)信號(hào)增強(qiáng)層40起反應(yīng)時(shí)，其應(yīng)當(dāng)具有在所述層中的至少約0.8％的分析物溶解度，優(yōu)選地至少約2.0％，并且更優(yōu)選地從約5.0％到約10％。起反應(yīng)的信號(hào)增強(qiáng)層40可以由任何(一種或多種)非導(dǎo)電材料制成，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的非導(dǎo)電材料：聚合物(如聚酯和聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA])、光刻膠、陶瓷、或金屬?gòu)?fù)合物、或其混合物。

在另一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)增強(qiáng)層40優(yōu)選地不與所檢測(cè)的刺激起反應(yīng)。在這種情況下，當(dāng)被分析物接觸時(shí)，信號(hào)增強(qiáng)層40不應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷化學(xué)的或物理的變化或反應(yīng)。以此方式，信號(hào)增強(qiáng)層40可以表現(xiàn)為隔離層，將有源感測(cè)層30與有害環(huán)境影響隔離。如通過(guò)ASTM方法D-570所測(cè)量的，當(dāng)信號(hào)增強(qiáng)層40不起反應(yīng)時(shí)，其應(yīng)當(dāng)具有在所述層中的小于約0.02％的分析物溶解度，優(yōu)選地小于約0.001％，并且更優(yōu)選地約0％。不起反應(yīng)信號(hào)增強(qiáng)層40可以由任何(一種或多種)非導(dǎo)電材料制成，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的非導(dǎo)電材料：聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯[PTFE]、硅樹(shù)脂電介質(zhì)材料、環(huán)烯烴共聚物、聚偏二氟乙烯[PVDF]和聚苯乙烯)、光刻膠、陶瓷、或金屬?gòu)?fù)合物、金屬氧化物、金屬氮化物(如氮化硅)、或其混合物。

4.圖5和圖6的實(shí)施例

參照?qǐng)D5，展示了換能器10d。換能器10d類似于圖4的換能器10c，除了換能器10d進(jìn)一步包括過(guò)濾層46。過(guò)濾層46包括第一側(cè)和第二側(cè)48、50，并且位于與信號(hào)增強(qiáng)層40相鄰的位置，并且優(yōu)選地，第一側(cè)48靠著信號(hào)增強(qiáng)層40的第二側(cè)44。

在展示為圖6的換能器10e的進(jìn)一步實(shí)施例中，不存在信號(hào)增強(qiáng)層40，由此，過(guò)濾層46的第一側(cè)48與有源感測(cè)層30相鄰。更優(yōu)選地，在此實(shí)施例中，過(guò)濾層46的第一側(cè)48靠著有源感測(cè)層30的第二側(cè)34。

無(wú)論是否引用換能器10d或10e，過(guò)濾層46都位于換能器電極24a、24b中的一些或全部電極與環(huán)境之間。過(guò)濾層46被設(shè)計(jì)成用于將有源感測(cè)層30與一些或全部環(huán)境刺激隔離。也就是說(shuō)，過(guò)濾層46可以通過(guò)僅允許期望的環(huán)境信號(hào)與有源感測(cè)層30接觸和起反應(yīng)來(lái)增強(qiáng)換能器的功能或選擇性。過(guò)濾層46的材料和性質(zhì)取決于制造的換能器的類型。過(guò)濾層46優(yōu)選地由從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的材料形成：金屬膜、聚合物膜、陶瓷膜、單晶膜、離子選擇性膜、化學(xué)選擇性膜、生物選擇性膜、金屬氧化物膜、金屬氮化物膜、有機(jī)金屬膜、以及上述各項(xiàng)的組合。

過(guò)濾層46可以是導(dǎo)電的或電絕緣的。此外，可以通過(guò)任何合適的技術(shù)沉積過(guò)濾層46，包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)：絲網(wǎng)印刷、噴涂、噴墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷、拉桿涂層、浸涂、光刻技術(shù)、旋涂、蒸發(fā)、濺射、層壓、激光消融、ALD、CVD、以及PECVD。過(guò)濾層46的厚度優(yōu)選地從約10nm到約150μm，更優(yōu)選地從約50nm到約100μm，并且甚至更優(yōu)選地從約100nm到約2μm。

在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)換能器10d或10e是分析物換能器時(shí)，過(guò)濾層46優(yōu)選地允許期望的分析物通過(guò)，同時(shí)阻塞任何不期望的環(huán)境信號(hào)。優(yōu)選地，過(guò)濾器46應(yīng)當(dāng)具有高分析物傳輸速率和低分析物吸收及反映速率。如通過(guò)ASTM方法F1249所測(cè)量的，過(guò)濾層46應(yīng)當(dāng)具有針對(duì)分析物的至少約50g/m²/天的擴(kuò)散速度，優(yōu)選地至少約500g/m²/天，并且更優(yōu)選地從約2000g/m²/天到約5000g/m²/天。例如，對(duì)濕度換能器而言，過(guò)濾層46是滲水膜材料，如從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的材料：紙、纖維素紙、GoreTex材料、PVDF、和PTFE、和任何多孔滲水層。

在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)換能器10d或10e意在檢測(cè)如溫度或力量等物理刺激以及環(huán)境中不期望的分析物濃度的影響時(shí)，過(guò)濾層46優(yōu)選地是防止任何分析物(如水分或化學(xué)物質(zhì))滲透過(guò)濾層46的密封劑。例如，對(duì)溫度換能器而言，過(guò)濾層46將是具有防止除熱量外的任何環(huán)境信號(hào)與有源感測(cè)層交互的高熱導(dǎo)率的密封劑。在這種情況下，過(guò)濾層46的優(yōu)選的材料包括從由以下各項(xiàng)組成的組中選擇的材料：金屬、金屬氧化物(如氧化鋁或氧化鈹)、金屬氮化物、水晶非金屬(如金剛石或石英)、硅樹(shù)脂、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氨酯、多糖、以及苯乙烯。如通過(guò)ASTM方法F1249所測(cè)量的，對(duì)非分析物而言，過(guò)濾層46應(yīng)當(dāng)具有關(guān)于非分析物的小于約1g/m²/天的擴(kuò)散速度，優(yōu)選地小于約0.01g/m²/天，并且更優(yōu)選地小于約0.001g/m²/天。當(dāng)換能器10d或10e是溫度換能器時(shí)，過(guò)濾層46應(yīng)當(dāng)具有至少約10W/m·K的導(dǎo)熱率，優(yōu)選地至少約100W/m·K，并且更優(yōu)選地至少約400W/m·K。

形成

有利的是，本發(fā)明換能器的制造可以通過(guò)印刷電子技術(shù)完成。因?yàn)檩^低的成本、較高的速度以及基板的多功能性和形成因素，所以期望使用用于制造傳感器的印刷技術(shù)。然而，將理解的是，如果適當(dāng)?shù)剡x擇傳感器的材料和尺寸，則可以使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)和材料來(lái)制造傳感器。

在一個(gè)實(shí)施例中，將換能器封裝進(jìn)包括換能器和控制器單元的設(shè)備(例如，傳感器)中。控制器單元能夠解釋換能器的電阻的變化，并且基于換能器兩端的電阻的變化來(lái)計(jì)算環(huán)境刺激的濃度。如以上提及的，設(shè)備可以可選地包括用于補(bǔ)償設(shè)備中和設(shè)備周圍的溫度波動(dòng)的溫度傳感器。

在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備包括電子和軟件讀出器以及能夠放大來(lái)自換能器的具有足夠通過(guò)頻帶的信號(hào)以便測(cè)量由傳感器產(chǎn)生的高速電阻波動(dòng)的分析系統(tǒng)。這些信號(hào)一旦被放大就轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以便在控制器單元(如微控制器、微處理器、或邏輯陣列系統(tǒng))中進(jìn)行隨后的數(shù)據(jù)分析。

控制器單元優(yōu)選地包括硬件部分，所述硬件部分包括放大器和具有或不具有硬件過(guò)濾或模擬或數(shù)字信號(hào)處理階段的信號(hào)調(diào)整電路，所述階段之后是將數(shù)字轉(zhuǎn)換進(jìn)微處理器、微控制器或邏輯陣列以便進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)分析、存儲(chǔ)、和結(jié)果的可視化表示。換言之，本發(fā)明換能器可以被結(jié)合到傳統(tǒng)傳感器和在常規(guī)處理之后需要換能器的其他設(shè)備中。

應(yīng)用

當(dāng)將本發(fā)明換能器用作濕度、氣體或VOC傳感器時(shí)，有源感測(cè)層的電阻還是輕微地溫度相關(guān)的?？蛇x地，為了更精確，氣密密封溫度傳感器可以被用作將與濕度、氣體或VOC傳感器集成的溫度補(bǔ)償器元件。這種溫度補(bǔ)償器元件可以直接結(jié)合在設(shè)備結(jié)構(gòu)上或單獨(dú)結(jié)構(gòu)中。由于補(bǔ)償器元件是氣密密封的，因此補(bǔ)償器元件僅對(duì)溫度敏感，并且可以用在減法模式中，以便清除溫度對(duì)總濕度、氣體或VOC傳感器信號(hào)的影響。

當(dāng)本發(fā)明換能器用于創(chuàng)建濕度傳感器時(shí)，濕度換能器優(yōu)選地具有小于約5毫秒的平衡時(shí)間，更優(yōu)選地小于約1.0毫秒，并且甚至更優(yōu)選地從約0.5毫秒到約1.0毫秒。濕度換能器還具有非常低的響應(yīng)時(shí)間。在大氣條件下，濕度換能器應(yīng)當(dāng)具有小于約50毫秒的響應(yīng)(或上升)時(shí)間，優(yōu)選地小于約20毫秒，更優(yōu)選地小于約10毫秒，并且甚至更優(yōu)選地從約5毫秒到約10毫秒。在大氣條件下，濕度換能器具有小于約100毫秒的下降時(shí)間，優(yōu)選地小于約90毫秒，更優(yōu)選地小于約50毫秒，并且甚至更優(yōu)選地從約20毫秒到約50毫秒。

濕度換能器基于與電極結(jié)構(gòu)內(nèi)的表面濕度變化相關(guān)聯(lián)的變化電阻。優(yōu)選的變化是具有30％的濕度變化的室內(nèi)溫度下的至少20％的電阻變化。傳感器需要的電流優(yōu)選地從約500nA到約2μA，更優(yōu)選地從約500pA到約200nA,甚至更優(yōu)選地從約50pA到約200pA。

換能器的速度促進(jìn)許多應(yīng)用，如語(yǔ)音檢測(cè)和識(shí)別。例如，圖7示出了當(dāng)說(shuō)出短語(yǔ)“測(cè)試，一，二，三”時(shí)，來(lái)自換能器中的一個(gè)換能器的同步濕度信號(hào)(頂部面板)和同步音頻信號(hào)(底部面板)。每個(gè)音節(jié)具有唯一的濕度簽名，并且與能夠通過(guò)振幅信息指示說(shuō)話者的水合過(guò)程以及通過(guò)頻率信息指示說(shuō)話者的身份的音頻信號(hào)相耦合。

可以通過(guò)利用換能器的高速度來(lái)創(chuàng)建揮發(fā)級(jí)傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)極性溶劑濃度超過(guò)或低于預(yù)定設(shè)置點(diǎn)水平時(shí)，換能器和相關(guān)電子可以用于開(kāi)燈和關(guān)燈。以此方式，當(dāng)源于物體的極性溶劑蒸汽下降至低于期望干燥干燥器的內(nèi)容的水平時(shí)，可以控制或關(guān)閉干燥器。

換能器性能

圖8示出了當(dāng)暴露于增加的相對(duì)濕度(相對(duì)濕度)的一秒脈沖時(shí)，特定基本傳感器的行為。換能器在100毫秒內(nèi)快速地反應(yīng)和恢復(fù)。在這些速度下，在基于CNT的有源感測(cè)層與PET信號(hào)增強(qiáng)層之間的界面上形成的阻塞區(qū)域占優(yōu)勢(shì)。這些濕度換能器具有小于10毫秒的超快的響應(yīng)時(shí)間和約40毫秒的恢復(fù)時(shí)間。觀察針對(duì)包括酒精和酮類的其他成分的快速脈沖的非常相似的行為，主要差別為精確響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，但它們都在250毫秒內(nèi)。

圖9示出了當(dāng)暴露于延伸時(shí)間(10分鐘)的較高的相對(duì)濕度時(shí)，相同的基本換能器的響應(yīng)。在這種較長(zhǎng)時(shí)間期間，阻塞區(qū)域不完全阻塞水?dāng)U散到信號(hào)增強(qiáng)層。因?yàn)閿U(kuò)散到信號(hào)增強(qiáng)層的濕度現(xiàn)在必須在傳感器能夠完全恢復(fù)到其平衡條件之前流出，所以這種影響放慢了傳感器的恢復(fù)時(shí)間。這就是由信號(hào)增強(qiáng)層或電介質(zhì)層而不是有源層引起的設(shè)備的滯后性。

在圖10中，相對(duì)濕度在密封環(huán)境室內(nèi)持續(xù)約4小時(shí)的期間以三角波的形式緩慢變化，并且示出了來(lái)自圖8和圖9的相同換能器的所產(chǎn)生的信號(hào)。圖中的線示出了隨著時(shí)間的輸入濃度變化，而點(diǎn)示出了來(lái)自濕度換能器的讀數(shù)。當(dāng)暴露于慢得多的濃度變化時(shí)，有源傳感器甚至在許多小時(shí)之后都無(wú)法達(dá)到平衡。

圖10中的響應(yīng)表明傳感器在峰值處對(duì)水蒸氣的變化環(huán)境濃度相對(duì)快速地作出反應(yīng)。這是更高濃度變化頻率的區(qū)域，并且換能器表現(xiàn)得像高通濾波器并且更快地對(duì)這種濃度波動(dòng)作出響應(yīng)。

計(jì)算換能器滯后性

隨著一個(gè)環(huán)境刺激斜升并向后斜降，在固定外加電壓下記錄來(lái)自換能器的電流輸出。使用以下方程來(lái)將電流輸出值轉(zhuǎn)換成電阻值：

電阻＝(外加電壓)/(電流輸出)

繪制了電阻輸出對(duì)溫度的曲線圖，并且畫出了最佳擬合線。使用最佳擬合線的斜率和y截距值，使用以下方程來(lái)將如通過(guò)經(jīng)校準(zhǔn)的參考來(lái)測(cè)量的在正向和反向循環(huán)的每個(gè)記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)處的每個(gè)電阻轉(zhuǎn)換成計(jì)算溫度值：

X_計(jì)算＝((R-c))/m

其中，‘R’是電阻輸出；‘c’是最佳擬合線的y截距；‘m’是最佳擬合線的斜率；并且‘X_計(jì)算’是計(jì)算值。在每個(gè)實(shí)際記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)處，計(jì)算來(lái)自正向循環(huán)期間的實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算值與來(lái)自反向循環(huán)期間的實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算值之差。將在正向和反向循環(huán)期間的每個(gè)記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)處的差相加。針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)完成這一點(diǎn)。在整個(gè)范圍內(nèi)的計(jì)算值與實(shí)際值的最大偏差被當(dāng)作設(shè)備的滯后性。

計(jì)算溫度傳感器準(zhǔn)確性

為了計(jì)算換能器的準(zhǔn)確性，針對(duì)給定刺激的循環(huán)找到如以上所計(jì)算的實(shí)際值與計(jì)算值之差。換能器的準(zhǔn)確性被計(jì)算為該換能器的計(jì)算值與實(shí)際值之間的最大差。

示例

以下示例闡述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，這些示例通過(guò)說(shuō)明的方式提供，并且其中的任何內(nèi)容都不應(yīng)作為對(duì)本發(fā)明的整體范圍的限制。

示例1

制備碳納米管油墨1

將1020材料用作CNT油墨的來(lái)源。為了促進(jìn)印刷，使用二甲基甲酰胺(DMF)(西格瑪奧德里奇公司，件號(hào)D158550-4L)和去離子水的1:1溶液來(lái)將油墨稀釋成光學(xué)密度2.0以便噴涂到設(shè)備上(通過(guò)使用DMF和DI水溶液按約1:12的比例來(lái)稀釋原始CNT油墨(等量OD為24)并搖動(dòng)約30秒)。

示例2

制備碳納米管油墨2

將1020材料用作CNT油墨的來(lái)源。為了促進(jìn)印刷，使用去離子水來(lái)將油墨稀釋成光學(xué)密度2.0以便噴涂到設(shè)備上(通過(guò)使用DI水來(lái)稀釋原始CNT油墨(等量OD為24)并搖動(dòng)約30秒)。

示例3

在PET上制作集成溫度/分析物換能器

在此示例中，在柔性ST730 PET基板(威斯康辛州新柏林林肯西路16700號(hào)Tekra公司，郵編：53151)上制作32個(gè)集成溫度/分析物換能器。在圖11中示出了換能器的結(jié)構(gòu)。首先，在鏈條式平爐中在130℃下以10秒/分的速度烘烤基板。接下來(lái)，使用AT-60PD絲網(wǎng)印刷機(jī)利用以下參數(shù)來(lái)將底部金屬層(AG-800銀導(dǎo)電油墨(新罕布什爾州哈得遜導(dǎo)電化合物公司))絲網(wǎng)印刷到基板上：網(wǎng)布：聚酯、230條線/英寸；覆墨/刮墨速度：225mm/s；覆墨刀壓力：10psi；刮墨壓力：25psi。然后，在鏈條式平爐中在130℃下以10秒/分的速度對(duì)基板進(jìn)行固化。固化的銀膜具有5μm的厚度。使用與金屬層相同的參數(shù)來(lái)將底部隔離層(來(lái)自布魯爾科技公司的實(shí)驗(yàn)性環(huán)烯聚合物)絲網(wǎng)印刷到金屬層的頂部，并且在鏈條式平爐中在130℃下以10秒/分的速度對(duì)其進(jìn)行固化。膜厚度為約8μm。然后，使用與金屬層相同的絲網(wǎng)印刷和固化參數(shù)來(lái)將銀電極絲網(wǎng)印刷到底部隔離層上。然后，使用具有Sono-Tek噴頭(壓印板溫度：135℃；掃描寬度：2mm；流速：10ml/小時(shí)；掃描速度：60mm/s)和Sono-Tek模型048-00214噴頭的定制噴霧涂布機(jī)來(lái)將來(lái)自示例1的材料噴涂到電極區(qū)域上。CNT膜厚度為約20nm。使用相同的絲網(wǎng)印刷參數(shù)來(lái)將頂部隔離層(與底部隔離層相同的材料)絲網(wǎng)印刷到溫度換能器區(qū)域上的CNT上，并且在鏈條式平爐中在130℃下以10秒/分的速度對(duì)其進(jìn)行固化，并且進(jìn)一步使用來(lái)自輻深紫外線系統(tǒng)公司的LC-6B臺(tái)式輸送帶以52秒/分的輸送帶速度來(lái)對(duì)其進(jìn)行UV固化。最后，使用與底部金屬層相同的絲網(wǎng)印刷參數(shù)來(lái)將頂部金屬層(AG-800銀導(dǎo)電油墨)絲網(wǎng)印刷到溫度換能器上并且在鏈條式平爐中在130℃下以10秒/分的速度對(duì)其進(jìn)行固化。這些頂部層的膜厚度和絲網(wǎng)印刷參數(shù)與對(duì)應(yīng)底部層相同。

示例4

在聚酰亞胺上制作集成溫度/分析物換能器

使用與在示例3中的條件相同的條件(除了聚酰亞胺板(美國(guó)杜邦)用作基板以外)來(lái)制作集成溫度/分析物換能器板。圖12示出了所產(chǎn)生的換能器板。

示例5

制作比較式集成溫度和濕度換能器

使用印刷電子技術(shù)來(lái)將集成溫度和濕度傳感器合成為相對(duì)大的換能器(約1.5cm²)。使用納米銀導(dǎo)電油墨(來(lái)自導(dǎo)電化合物公司的AG-800)來(lái)將電極絲網(wǎng)印刷到聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上，并且在輸送帶烤箱中在110℃下將其固化10分鐘。使用來(lái)自示例2的材料來(lái)涂覆所使用的感測(cè)元件，并且通過(guò)在兩個(gè)電極之間以50nm的厚度進(jìn)行噴涂來(lái)將所述感測(cè)元件放置在所述電極之間。最后，將杜邦5036聚合物包封材料絲網(wǎng)印刷到溫度電極之上的CNT感測(cè)元件頂部。

示例6

制作離散溫度換能器

使用與在示例3中的印刷參數(shù)相同的印刷參數(shù)來(lái)制作離散溫度換能器。在這種設(shè)計(jì)中，僅印刷了兩個(gè)電極，并且不存在濕度電極。在圖13中示出了換能器的結(jié)構(gòu)。圖14示出了所產(chǎn)生的換能器板。

示例7

配置換能器測(cè)試設(shè)備

使用定制掃描儀系統(tǒng)在環(huán)境室(愛(ài)斯佩克BTL-433模型)內(nèi)的受控相對(duì)濕度和溫度下對(duì)換能器進(jìn)行測(cè)試。掃描器板系統(tǒng)包含掃描器板(所述掃描器板具有96個(gè)裝載有彈簧的彈針)以及夾緊系統(tǒng)，以便將32個(gè)被測(cè)集成換能器電氣連接至系統(tǒng)的電子裝置從而進(jìn)行電壓提供和電流/電壓輸出測(cè)量。掃描器還包括用于測(cè)量環(huán)境室內(nèi)的相對(duì)濕度和溫度的四個(gè)經(jīng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器(兩個(gè)霍尼韋爾NIH-400濕度傳感器和兩個(gè)德州儀器LM335溫度傳感器)。電子系統(tǒng)使用吉時(shí)利的617靜電計(jì)來(lái)向標(biāo)準(zhǔn)傳感器和DUT提供電壓以及測(cè)量來(lái)自DUT的電流輸出。使用吉時(shí)利的195A數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)傳感器的電壓輸出。掃描器盒利用掃描器繼電器板、掃描器控制器和多路復(fù)用器來(lái)同時(shí)對(duì)32個(gè)集成溫度/分析物換能器進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于所述測(cè)試，每個(gè)DUT都被正偏置，而所有其他設(shè)備被強(qiáng)制為零以便消除泄露電流。在圖15中示出了電路的一部分的示意圖，展示了使用一個(gè)DUT的外加電壓來(lái)測(cè)量電流的陣列操作。使用LabView 2011程序來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取。掃描系統(tǒng)一次向一個(gè)DUT提供電壓。用于獲取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定時(shí)間被設(shè)置成1秒，而數(shù)據(jù)獲取周期長(zhǎng)度為15分鐘。

使用在圖15中所示出的電路來(lái)測(cè)量矩陣中的電阻中的每個(gè)電阻(通過(guò)選擇行(R11-R42)繼電器之一和列(C1-C8)繼電器之一)。例如，可以通過(guò)關(guān)閉繼電器C5和繼電器R22來(lái)測(cè)量電阻器Ri。關(guān)閉C5和R22時(shí)，列5中的所有電阻器在一端處連接至電源HI端子。在所有其他列中的其他電阻器中的所有電阻器具有兩個(gè)端，任何一端連接至電源LO端子(通過(guò)繼電器的閉合觸點(diǎn))或處于虛擬LO電壓下的安培計(jì)HI+端子(沿著行R22)。因?yàn)樵谒羞@些電阻器之間沒(méi)有電壓并且因此沒(méi)有電流流過(guò)它們，所以可以流自電源的唯一電流流過(guò)列5中的電阻器。但是流過(guò)安培計(jì)的唯一電流是沿著行22流動(dòng)的電流。因?yàn)槌薘i以外的所有其他電阻器連接至除了5以外的列并且沒(méi)有電流流過(guò)它們，所以電子安培計(jì)測(cè)量的電流僅是流過(guò)Ri的電流。Ri的電阻等于電源電壓除以電子安培計(jì)測(cè)量的電流。

對(duì)于對(duì)溫度/分析物換能器的滯后性和準(zhǔn)確性測(cè)試，所述室內(nèi)的相對(duì)濕度在固定溫度(25℃)下從25％到80％傾斜，并且然后返回到25％。對(duì)于溫度換能器滯后性和準(zhǔn)確性測(cè)試，當(dāng)將相對(duì)濕度保持固定在35％時(shí)，溫度從20℃到90℃傾斜，并且返回到20℃。對(duì)于每項(xiàng)測(cè)試，在固定電壓0.5V下測(cè)量來(lái)自每個(gè)換能器的輸出電流。四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)校準(zhǔn)的傳感器用于測(cè)量所述室內(nèi)的相對(duì)濕度和溫度。在圖16中示出了經(jīng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器所記錄的所述室的相對(duì)濕度和溫度曲線。

示例8

基于碳納米管的溫度換能器的溫度滯后性和準(zhǔn)確性

通過(guò)將換能器放置在示例7中所描述的測(cè)試設(shè)備中來(lái)執(zhí)行對(duì)在示例3和5中所制作的換能器的滯后性測(cè)試。如在示例7中所描述的，溫度從20℃到90℃到20℃循環(huán)，并且在固定外加電壓0.5V下記錄來(lái)自傳感器的電流輸出。繪制了電阻輸出對(duì)溫度的曲線圖，并且畫出了最佳擬合線。使用最佳擬合線的斜率和y截距值，在由經(jīng)校準(zhǔn)的溫度傳感器記錄的每個(gè)溫度下的每個(gè)電阻值被轉(zhuǎn)換成計(jì)算溫度值。計(jì)算了在正向和反向溫度循環(huán)期間的每個(gè)計(jì)算溫度與實(shí)際溫度的偏差，并且將正向和反向溫度循環(huán)的每個(gè)記錄溫度的溫度差加在一起。在整個(gè)范圍內(nèi)的計(jì)算溫度與實(shí)際溫度的最大偏差為該設(shè)備的滯后性值。來(lái)自示例5的換能器(所述換能器沒(méi)有使用信號(hào)增強(qiáng)層或隔離層)的滯后性為約16℃，并且在圖17中示出了所述滯后性。如在圖18中所示出的，來(lái)自示例3的換能器的滯后性隨著對(duì)隔離和過(guò)濾層的添加而大大提高，并且為約2℃。

還在以上所描述的過(guò)程期間通過(guò)在每個(gè)記錄的溫度下找出計(jì)算溫度與實(shí)際溫度之差來(lái)計(jì)算每個(gè)溫度換能器的準(zhǔn)確性。最大差為設(shè)備的準(zhǔn)確性。圖19中示出了來(lái)自示例5的換能器板的準(zhǔn)確性。大大提高了來(lái)自示例3的換能器板的準(zhǔn)確性，并且圖20中示出了所述準(zhǔn)確性。

示例9

基于碳納米管的濕度換能器的濕度滯后性和準(zhǔn)確性

通過(guò)將換能器放置在示例7的測(cè)試設(shè)備中來(lái)執(zhí)行對(duì)在示例3和5中所制作的換能器的滯后性測(cè)試。如在示例7中所示出的，在固定溫度(25℃)下，所述室內(nèi)的相對(duì)濕度從25％到80％傾斜，并且之后回到25％，并且在固定外加電壓0.5V下記錄來(lái)自傳感器的電流輸出。繪制了電阻輸出對(duì)濕度的曲線圖，并且畫出了最佳擬合線。使用最佳擬合線的斜率和y截距值，在由經(jīng)校準(zhǔn)的濕度傳感器記錄的每個(gè)濕度點(diǎn)處每個(gè)電阻值被轉(zhuǎn)換成計(jì)算濕度值。計(jì)算了在正向和反向濕度循環(huán)期間的每個(gè)計(jì)算相對(duì)濕度與實(shí)際相對(duì)濕度的偏差，并且將正向和反向濕度循環(huán)的每個(gè)記錄濕度的濕度差加在一起。在整個(gè)范圍內(nèi)的計(jì)算濕度與實(shí)際濕度的最大偏差為該設(shè)備的滯后性值。圖21中示出了來(lái)自示例5的換能器(所述換能器沒(méi)有使用信號(hào)增強(qiáng)層或隔離層)的滯后性。圖22中示出了來(lái)自示例3的換能器的滯后性。

還在以上所描述的過(guò)程期間通過(guò)在每個(gè)記錄的濕度下找出計(jì)算濕度與實(shí)際濕度之差來(lái)計(jì)算每個(gè)濕度換能器的準(zhǔn)確性。最大差為設(shè)備的準(zhǔn)確性。圖23中示出了來(lái)自示例5的換能器板的準(zhǔn)確性。

示例10

隨著時(shí)間的設(shè)備穩(wěn)定性

在環(huán)境室內(nèi)在固定溫度和相對(duì)濕度(25℃/50％相對(duì)濕度)下持續(xù)延長(zhǎng)的時(shí)間段對(duì)來(lái)自示例5的溫度換能器進(jìn)行測(cè)試，以便測(cè)試隨著時(shí)間的設(shè)備穩(wěn)定性。圖24示出了環(huán)境室內(nèi)的8個(gè)代表性溫度換能器在72小時(shí)的期間內(nèi)的輸出電流。圖25示出了如在60天內(nèi)在環(huán)境室內(nèi)條件下通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量的8個(gè)溫度換能器的電阻輸出。如所示出的，設(shè)備隨著時(shí)間顯示出極其穩(wěn)定的性能。

在環(huán)境室內(nèi)在固定溫度和相對(duì)濕度(25℃/50％相對(duì)濕度)下持續(xù)延長(zhǎng)的時(shí)間段對(duì)來(lái)自示例5的濕度換能器進(jìn)行測(cè)試，以便測(cè)試隨著時(shí)間的設(shè)備穩(wěn)定性。圖26示出了環(huán)境室內(nèi)的8個(gè)代表性濕度換能器在72小時(shí)的期間內(nèi)的輸出電流。圖27示出了如在60天內(nèi)在環(huán)境室內(nèi)條件下通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量的8個(gè)濕度換能器的電阻輸出。如所示出的，設(shè)備隨著時(shí)間顯示出極其穩(wěn)定的性能。

示例11

對(duì)集成溫度和分析物換能器的速度測(cè)量

為了在示例5中所制作的換能器對(duì)引入潮濕空氣的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間而對(duì)所述換能器進(jìn)行測(cè)試。圖28中示出了用于測(cè)量響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)裝置。使用電磁閥(英格索蘭P251SS120-A-G)將干燥和潮濕(30％相對(duì)濕度)空氣作為1秒脈沖引入到換能器中。圖8中示出了當(dāng)潮濕空氣引入到換能器中時(shí)換能器的響應(yīng)時(shí)間(1/e)以及在1秒之后由干燥空氣替換潮濕空氣時(shí)的恢復(fù)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間為小于10毫秒，并且恢復(fù)時(shí)間為約40毫秒。

示例12

對(duì)集成溫度換能器的速度測(cè)量

為了評(píng)估來(lái)自示例5的換能器對(duì)熱量變化的敏感性和速度，使用手指觸摸換能器并且然后釋放，并且使用吉時(shí)利的4200-SCS半導(dǎo)體分析器來(lái)實(shí)時(shí)記錄電流輸出數(shù)據(jù)。圖29中示出了換能器對(duì)來(lái)自人類手指的熱量的響應(yīng)。如所示出的，當(dāng)接觸時(shí)，溫度換能器非常迅速地對(duì)來(lái)自手指的甚至很小的熱量作出響應(yīng)，并且當(dāng)釋放時(shí)，非常迅速地恢復(fù)。溫度換能器具有小于50毫秒的響應(yīng)時(shí)間和小于150毫秒的恢復(fù)時(shí)間。

示例13

使用有機(jī)聚合物的比較式薄膜溫度換能器

以示例5中的方式制作薄膜溫度換能器，除了利用10nm導(dǎo)電聚合物層(PEDOT:PSS(西格瑪奧德里奇，產(chǎn)品號(hào)655201)來(lái)替換CNT油墨作為有源感測(cè)層以外。圖30示出了示例7的環(huán)境室內(nèi)的四個(gè)代表性的基于PEDOT:PSS的溫度換能器在正向和反向溫度循環(huán)期間的響應(yīng)。換能器具有小于4℃的滯后性。換能器還具有超高速度，響應(yīng)時(shí)間小于50毫秒。圖31示出了當(dāng)在與說(shuō)出“你好，一、二、三”的人員相距1.5英寸的地方握住時(shí)基于聚合物的溫度換能器對(duì)熱量波動(dòng)的響應(yīng)。

示例14

使用有機(jī)聚合物的薄膜溫度換能器

以示例3中的方式制作薄膜溫度換能器，除了利用10nm導(dǎo)電聚合物層(PEDOT:PSS(西格瑪奧德里奇，產(chǎn)品號(hào)655201)來(lái)替換CNT油墨作為有源感測(cè)層以外。圖32示出了示例7的環(huán)境室內(nèi)的四個(gè)代表性的基于PEDOT:PSS的溫度換能器在正向和反向溫度循環(huán)期間的響應(yīng)。

示例15

集成換能器的低功率操作

集成溫度/分析物換能器可以以極低的功率(幾pW)進(jìn)行操作，使它們適合于低電池消耗操作和長(zhǎng)期處理/環(huán)境檢測(cè)應(yīng)用。圖33中示出了在示例5中制作的溫度/分析物換能器在-2.5mV、+2.5mV的電壓范圍內(nèi)、使用吉時(shí)利的SCS4200半導(dǎo)體分析器來(lái)記錄的I-V行為。如所示出的，它們展現(xiàn)出下降至極低電壓的線性行為。圖34示出了以1μV進(jìn)行操作的溫度/分析物換能器對(duì)人類呼吸的響應(yīng)。換能器在這種呼吸監(jiān)測(cè)操作期間消耗小于30pW的功率。

示例16

揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)蒸汽檢測(cè)換能器

通過(guò)示例5中的方式制作集成溫度/分析物換能器。圖28中示出了用于測(cè)量響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)裝置，其中，通過(guò)在溶劑池之上吹干燥空氣而不是濕氣來(lái)將溶劑蒸汽引入氣流中。含有溶劑的空氣在到達(dá)換能器之前經(jīng)過(guò)玻璃粉。為了進(jìn)行響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間測(cè)試，使用干燥空氣來(lái)吹掃傳感器1分鐘，然后使用含有溶劑的空氣來(lái)吹掃線5秒鐘，并且然后使用螺線管(英格索蘭P251SS120-A-G)來(lái)將含有溶劑的空氣的1秒脈沖引入換能器中。響應(yīng)時(shí)間被計(jì)算為所述脈沖的前緣與響應(yīng)到達(dá)基線信號(hào)與信號(hào)最大值之間的跨度的63.2％的點(diǎn)之間的時(shí)間。類似地，響應(yīng)時(shí)間被認(rèn)為是所述脈沖的下降邊緣與響應(yīng)到達(dá)初始基線的63.2％的點(diǎn)之間的時(shí)間。因?yàn)殡妷狠敵鲆灾笖?shù)方式變化，所以到達(dá)最大輸出的63.2％的時(shí)間被用作用于計(jì)算響應(yīng)時(shí)間的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。換能器不僅對(duì)濕氣敏感，而且對(duì)如在圖35中和表1中所示出的具有非?？祉憫?yīng)和恢復(fù)時(shí)間的若干種類別的極性揮發(fā)性有機(jī)物敏感。

表1

示例17

使用濕度換能器來(lái)進(jìn)行的速度識(shí)別

通過(guò)改變嘴與傳感器之間的距離以及在室內(nèi)和室外進(jìn)行測(cè)試來(lái)對(duì)來(lái)自示例5的集成溫度/濕度換能器的獲取語(yǔ)音生成的相對(duì)濕度(相對(duì)濕度)信號(hào)的有效性進(jìn)行測(cè)試。在室內(nèi)，傳感器給出來(lái)自在離換能器超過(guò)20cm的距離處說(shuō)出“1-2-3”的人員的清晰相對(duì)濕度信號(hào)(實(shí)驗(yàn)室溫度＝23℃，相對(duì)濕度＝55％)。可以使用適當(dāng)?shù)碾娮友b置和放大器來(lái)放大所述信號(hào)，從而使得用于語(yǔ)音識(shí)別的傳感器設(shè)備可以用于甚至更長(zhǎng)的距離。

在露天(風(fēng)速約9英里/小時(shí))戶外環(huán)境中對(duì)相同的傳感器進(jìn)行測(cè)試，傳感器距離嘴5cm。當(dāng)不存在風(fēng)或存在微風(fēng)時(shí)，存在清晰的語(yǔ)音生成的相對(duì)濕度信號(hào)。然而，在相對(duì)強(qiáng)風(fēng)期間不存在相對(duì)濕度信號(hào)。

示例18

基于碳納米管的溫度換能器的溫度滯后性和準(zhǔn)確性

通過(guò)示例6中的方式制作溫度換能器，除了有源層使用包含光學(xué)密度為2的吉恩CNT的油墨以外。在三個(gè)層中噴涂有源層，以便形成有源層。通過(guò)示例7中的方式對(duì)溫度換能器極性測(cè)試。

如在圖36中所示出的，所有傳感器的滯后性和準(zhǔn)確性分別為低于3℃和2.5℃。電阻溫度系數(shù)(每度溫度變化的電阻變化％)為約0.55％/℃。如在圖37中所示出的，傳感器根本不對(duì)相對(duì)濕度變化(1.25小時(shí)到7.25小時(shí))作出響應(yīng)，但是顯示出對(duì)溫度變化(9小時(shí)到15小時(shí))的響應(yīng)。

示例19

制備半導(dǎo)體碳納米管油墨3

在此程序中，在去離子水中將20毫克SWeNT SG65 CNT原材料與200毫升0.5％十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)(按重量)混合。持續(xù)20分鐘使用微射流機(jī)(型號(hào)：M10Y，柱大?。?7μm)來(lái)分散漿料。使用離心機(jī)以22.5rpm持續(xù)30分鐘分離所產(chǎn)生的分散液。油墨的最終OD為1.90。

示例20

基于半導(dǎo)體碳納米管的溫度換能器的溫度滯后性和準(zhǔn)確性

通過(guò)示例6中的方式制作溫度換能器，除了有源層使用來(lái)自示例19的油墨以外。將有源層噴涂到換能器上，并且通過(guò)異丙醇浸洗和之后的去離子水浸洗來(lái)將表面活性劑從有源層移除。通過(guò)示例7中的方式對(duì)溫度換能器極性測(cè)試。

如在圖38中所示出的，所有傳感器的滯后性和準(zhǔn)確性為低于1.5℃。電阻溫度系數(shù)為約0.55％/℃。如在圖39中所示出的，傳感器根本不對(duì)相對(duì)濕度變化(1.25小時(shí)到7.25小時(shí))作出響應(yīng)，但是顯示出對(duì)溫度變化(9小時(shí)到15小時(shí))的響應(yīng)。