专利名称：气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种化学气体传感器。
背景技术：
挥发性有机化合物(VOC)的检测或測量在很多应用领域具有重要意义。例如室内空气品质评估，空调系统节能控制，医疗诊断，以及如炸药检测或者浄化空气监测的安全技木。但问题是，挥发性有机化合物的分子种类繁多。值得ー提的有醛、醇、胺、羧酸、酷、酮、烃类、萜类、硫醇等等。这样的多祥性使得人们很难发明出一种能为大部分挥发性有机化合物提供足够高感测信号的传感器。气味通常由多种化合物组成，而这些化合物的含量往往又极低。挥发性有机化合物的嗅觉阈值一般都比较低，以至于人类能明显嗅到的浓度在技术上很难检测出来。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测至少ー种挥发性有机化合物或至少ー种氧化性气体的装置，这种装置能检出较低含量的挥发性有机化合物或氧化性气体。本发明用以达成上述目的的解决方案为ー种具有权利要求I所述特征的装置。从属权利要求涉及的是本发明的有利设计方案。本发明的装置包括ー检测材料，在与一挥发性有机化合物或ー氧化性气体相互作用时，所述检测材料的电子逸出功发生变化。所述检测材料是ー选自金属有机骨架(MOF)群组的材料。此外，所述装置还包括用于检测所述检测材料的电子逸出功变化的构件。本发明基于以下认识金属有机骨架的特别之处在于金属有机骨架单位晶胞中间的ー个较大空腔。这个空腔使得金属有机骨架在气体传感器中的使用和应用成为可能。(最大超过4000m2/g)的较大内表面在此非常重要，也会带来较大优点。这个较大的内表面供与气体发生相互作用。另ー优点是，通过确定孔或空腔的大小，还能实现对某些物质的高选择性。而孔或空腔大小的确定又能通过有机配体的大小来加以控制。这样就能与待检气体相匹配。本发明出人意料地发现，金属有机骨架可用于气体传感器。空腔在金属有机骨架单位晶胞中间的位置与用于检测逸出功变化的构件之间的距离对于电子相互作用的尺度而言是比较大的。換言之，金属有机骨架内表面与气体所发生的相互作用是在距离检测材料表面较远处进行。因此，气体所帯来的影响不会导致逸出功发生能被測量到的变化。然而试验结果表明，使用金属有机骨架的气体传感器在挥发性有机化合物方面能提供良好结果。根据ー种有利设计方案，所述装置可包括ー加热装置，例如回形加热结构。该加热装置一方面可以将所述金属有机骨架加热至ー必要的工作温度。另ー方面，在室温下进行测量时，如果部分化学反应在室温下为不可逆或可逆性不大，就还可以通过加热来重置传感器。
本发明提供一种用于检测至少ー种挥发性有机化合物或至少ー种氧化性气体的装置的制造方法，其中，在ー载体(特别是硅衬底)上设ー检测材料，在与所述挥发性有机化合物或所述氧化性气体相互作用时，所述检测材料的电子逸出功发生变化。所述检测材料包括ー选自金属有机骨架群组的材料。此外还制造用于检测所述检测材料的电子逸出功变化的构件。其中，将所述检测材料设置为带有ー非气敏有机粘合剂(特别是こ基纤维素)的层。该有机粘合剂留在该层中，用于使该层足够牢固地粘附在所述载体上。例如可用已知的丝网印刷法或旋涂法涂布该层。
图I为具有敏感层的气体传感器，该敏感层包括一金属有机骨架；以及图2为所述气体传感器的測量結果。
具体实施例方式0012]下文将參照附图对本发明的其他优点和技术细节进行说明。图I为本发明传感器一种示范性结构的简图。衬底I (例如硅衬底)上载有图中未予详示的场效应晶体管结构，场效应晶体管结构包括漏极和源扱。这两个电极都被钝化层2覆盖。钝化层2上方设有带气敏层4的载体3，该载体与钝化层之间被气隙6隔开。气敏层4包括一金属有机骨架，在本实施例中是多孔Cu3BTC2金属有机骨架。也可以使用例如BASF公司提供的BASOLITE F300铁基苯-1，3，5_三羧酸酯和C300铜基苯-1，3，5-三羧酸酯等金属有机骨架来制造传感器。也可以使用BASOLITE AlOO对苯ニ甲酸铝和BASOLITE Z12002-甲基咪唑锌基有机骨架。气体分子5进入气隙6。这些气体分子积聚在气敏层4即金属有机骨架中并改变其逸出功。借助场效应晶体管结构测量这ー逸出功的变化。例如，对流过该场效应晶体管结构的电流情况进行监测并将电流变化作为传感器信号记录下来。如图I所示，另ー种方法是在气敏层4与衬底I之间建立电性连接。连接在二者之间的电压源将逸出功变化时所产生的偏移电流调零并且将为此所需要的电压作为传感器信号。图2为上述示范性传感器的两条实测曲线。其中以时间为横坐标，逸出功变化为纵坐标。此外，图下部还绘示了向该传感器输送甲苯和戊醛时这两种气体的浓度。从两条实测曲线中可以看到，以IOppm的最大浓度添加甲苯时并未出现明显偏移。而同样添加最多IOppm的戊醛时，出现了非常明显的传感器偏移和传感器信号。
权利要求
1.一种用于检测至少ー种挥发性有机化合物或至少ー种氧化性气体(5)的装置，包括 ー检测材料(4)，在与所述挥发性有机化合物或所述氧化性气体(5)相互作用时，所述检测材料的电子逸出功发生变化， 用于检测所述检测材料的电子逸出功变化的构件， 其特征在于，所述检测材料包括ー选自金属有机骨架群组的材料。
2.根据权利要求I所述的装置，其中，所述用于检测电子逸出功变化的构件包括ー场效应晶体管结构。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其中，所述检测材料(4)设置在所述场效应晶体管结构的栅极区域。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中，所述场效应晶体管结构的栅极与所述场效应晶体管结构的其余部分之间被ー气隙(6)隔开。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中，所述检测材料(4)是ーCu3BTC2金属有机骨架。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的装置，且其包括ー用于为所述金属有机骨架加热的加热装置。
7.一种用于检测至少ー种挥发性有机化合物或至少ー种氧化性气体(5)的装置的制造方法，其中，在ー载体(特别是硅衬底)上设ー检测材料(4)，在与所述挥发性有机化合物或所述氧化性气体(5)相互作用时，所述检测材料的电子逸出功发生变化，所述检测材料包括ー选自金属有机骨架群组的材料，此外还制造用于检测所述检测材料的电子逸出功变化的构件，其中，将所述检测材料(4)设置为带有ー非气敏有机粘合剂(特别是こ基纤维素)的层。
全文摘要
本发明提供一种用于检测挥发性有机化合物或氧化性气体的气体传感器，其中，检测一金属有机骨架的逸出功作为传感器信号。
文档编号G01N27/414GK102778483SQ20121013706
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月4日 优先权日2011年5月6日
发明者奥利弗·冯西卡尔, 科斯廷·威斯纳, 罗兰·波勒, 马克西米利安·弗莱舍尔 申请人:西门子公司