传感器和感测方法
【专利摘要】本发明涉及传感器和感测方法。提供了一种传感器，其可包括：传感器层，包含传感器材料，其中，传感器材料的电阻在被吸附物吸附在传感器材料处时改变；电路，其被电耦合到传感器层并被配置成向传感器层施加电流，其将传感器层加热。
【专利说明】传感器和感测方法
【技术领域】
[0001]各种实施例涉及传感器和感测方法。
【背景技术】
[0002]传感器可用来检测诸如气体之类的某些物质的存在。气体传感器可对空气湿度敏感，其可能对传感器性能具有不利影响。增加传感器温度可减小气体传感器对空气湿度的灵敏度。因此，可期望提供气体传感器的加热。
【发明内容】
[0003]提供了一种传感器，其可包括:传感器层，包含传感器材料，其中，传感器材料的电阻在被吸附物吸附在传感器材料处时改变；电路，其被电耦合到传感器层并被配置成向传感器层施加电流，其将传感器层加热。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]在附图中，贯穿不同的视图，相似的参考标记一般指的是相同的部分。附图不必要按比例，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在下面的描述中，参照下面的附图来描述本发明的各实施例，在附图中:
图1示出说明作为传感器温度的函数的气体传感器对空气湿度的响应的图；
图2示出了说明气体传感器的再生周期对传感器温度的相关性的图；
图3示出了具有外部加热器的常规气体传感器；
图4示出了根据各种实施例的传感器；
图5示出了根据各种实施例的具有包括半导体层和绝缘层的基板的传感器；
图6示出了根据各种实施例的具有基板和悬在基板中的腔上的传感器层的传感器；
图7示出了根据各种实施例的具有基板和被附着于悬在基板中的腔上的载体隔膜的传感器层的传感器；
图8示出了根据各种实施例的具有传感器层和被耦合到传感器层的电极的传感器；
图9示出了具有单独加热层的传感器；
图10示出了说明根据各种实施例的用于感测的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0005]下面的详细描述参照附图，所述附图借助图示示出其中本发明可以被实施的实施例和具体细节。这些实施例被足够详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明。可以利用其它实施例并且在不脱离本发明的范围的情况下可以作出结构，逻辑，和电气变化。各种实施例不必要是互相排斥的，因为一些实施例可以与一个或多个其它实施例相结合以形成新的实施例。各种实施例结合方法被描述，并且各种实施例结合装置被描述。然而，可以理解结合方法描述的实施例可以类似地适用于装置，并且反之亦然。
[0006]本文使用词“示例性的”来意指“用作实例，例子，或者示例”等。本文描述为“示例性的”的任何实施例或者设计不一定被解释为比其它实施例或者设计优选或者有利。
[0007]可将术语“至少一个”和“一个或多个”理解成包括大于或等于一的任何整数，SP
一、二、三、四等。
[0008]可将术语“多个”理解成包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。
[0009]本文被用来描述在侧面或者表面“上面”形成特征(例如层)的词“上面”，可以被用来表示该特征(例如该层)可以“直接”形成在所暗示的侧面或者表面“上面”，例如与所暗示的侧面或者表面直接接触。本文被用来描述在侧面或者表面“上面”形成特征(例如层)的词“上面”，可以被用来表示该特征(例如该层)可以“间接”形成在所暗示的侧面或者表面“上面”，其中一个或者多个附加层被设置在所暗示的侧面或表面和被形成的层之间。
[0010]术语“耦合”或“连接”可包括间接“耦合”或“连接”和直接“耦合”或“连接”两者。
[0011]以下描述将主要集中于使用石墨烯作为传感器材料的传感器。然而，可理解的是下面在本文中所采取的考虑可同样地应用于其他传感器或传感器材料，并且例如可一般地应用于其电阻(或电阻率)在被吸附物(例如气体分子)被吸附在传感器材料的表面处时可改变的传感器材料，例如二维材料，诸如石墨烯、硫化钥、硫化钨等，或者金属氧化物，诸如二氧化锡、氧化锌、二氧化钛等。
[0012]石墨烯是可例如被用于制造气体传感器的新型材料。基于石墨烯的气体传感器的测量原理基于石墨烯层的电阻在气体分子吸附时的变化。在室温下，这些气体传感器还可对空气湿度敏感，其可能相应地影响测量结果。通过将传感器温度增加至约100°c或以上，可大大地降低对空气湿度的灵敏度，如从图1可看到的。
[0013]图1示出了说明作为传感器温度的函数的基于石墨烯的气体传感器对空气湿度的响应的图100。
[0014]不同的曲线针对40°C (曲线101)、60°C (曲线102)、80°C (曲线103)、100°C (曲线 104)、110°C (曲线 105)、120°C (曲线 106)、130°C (曲线 107)以及 140°C (曲线 108)的温度示出了绘图为传感器层的电阻随暴露时间的变化的传感器响应。
[0015]点110指示在此开始传感器暴露于湿度(“H20开”)的第一时间点，并且点120指示在此停止传感器暴露于湿度(“H20关”)的第二时间点。在暴露于湿度时，传感器的电阻增加，并且当水分暴露被关掉时其再次减小。
[0016]如可看到的，对空气湿度的灵敏度随着增加传感器温度而减小，并且对于约100°C或以上的温度而言可足够小。
[0017]并且，对各种其他气体的灵敏度可取决于传感器的温度。此外，所检测的气体分子的解吸和由此的气体传感器的再生周期可与传感器的温度相关，如从图2可看到的。
[0018]图2示出了说明基于石墨烯的气体传感器的再生周期对传感器温度的相关性的图 200。
[0019]图200中的第一曲线201示出了针对22°C的传感器温度的对比时间绘图的气体传感器的标准化电阻R/R0，并且图200中的第二曲线202示出了针对85°C的传感器温度的对比时间绘图的气体传感器的标准化电阻R/R0。在某些时间点，气体传感器被暴露于气体，在所示的示例中即NO2，其导致气体分子(在本示例中即NO2分子)在石墨烯传感器层处的吸附和因此导致传感器电阻的变化，即导致在所示的示例中从R/RO ^ I到值< I的快速减小，如从曲线201和202中的陡降可看到的。在停止暴露于气体之后，被吸附的气体分子从传感器层的表面解吸，并且传感器的电阻逐渐地返回到其初始值。再生周期可指的是传感器再次达到R/RO ^ I所需的时间段，例如在22°C传感器温度的情况下的时间段tl或在85°C传感器温度的情况下的时间段t2，如图2中所示。
[0020]如从图2中的两个不同曲线201和202可看到的，可通过增加传感器温度来缩短再生周期，即t2 < tl。在所示示例中，传感器层处的被吸附物(在所示的示例中即NO2分子)的吸附导致传感器电阻的减小。然而，还可以可能的是被吸附物在传感器层处的吸附增加传感器的电阻。无论被吸附物在传感器层处的存在是增加还是减少，传感器层的电阻可例如取决于被吸附物对传感器材料的电子密度分布的影响，例如被吸附物是充当施主还是受主。
[0021]根据图2的示例的传感器的再生周期tl、t2约为几分钟。然而，应注意的是根据其他示例的气体传感器的再生周期可不同，并且可例如较短，例如约几秒或者甚至更短。
[0022]由于上述原因，将传感器加热至高达100°C或以上的温度可能是有用。
[0023]在常规气体传感器中，由外部加热器来实现传感器的加热，例如借助于设置在下面并被电介质绝缘的金属或硅传导轨道，如图3中示意性地示出的。
[0024]图3示出了气体传感器300，包括基板301(例如，硅基板)、设置在基板301下面的电介质层302 (例如氧化硅层)、设置在电介质层302之上的包含传感器材料(例如石墨烯)的传感器层303以及设置在传感器层303下面并通过电介质层302与传感器层303绝缘的外部加热器304(包括例如一个或多个金属轨道)。可将传感器层303稱合到电路(未不出)，其可被配置成测量传感器层303的电阻。可将加热器304耦合到电路(未示出)，其被配置成向加热器304施加电流以将传感器300的加热器304和因此的传感器层303加热。
[0025]用外部加热器、诸如图3中的加热器304来加热可不仅导致具有附加金属和电介质层级的传感器芯片的相对复杂的设计，而且由于经由电介质的绝缘而导致高热损失。
[0026]因此，可能期望提供具有不那么复杂的设计的传感器(例如气体传感器)加热。此外，可能期望提供具有减少的热损失的传感器(例如气体传感器)加热。
[0027]根据本公开的方面，可借助于传感器层本身、例如借助于被用作传感器材料的石墨烯层来实现传感器(例如化学传感器，例如气体传感器)的加热。例如，通过施加相应的电压，电流可流过传感器层(例如，石墨烯层)，其在具有相应量值时可导致传感器层(例如石墨烯层)中的温度增加。石墨烯例如可具有高达18 A/cm2的极高安培容量(载流容量)，使得可在不破坏石墨烯层的情况下产生非常高的加热输出。
[0028]根据一个或多个实施例，传感器层或传感器材料(例如石墨烯层)可充当传感器元件(例如气体传感器元件)，并且同时作为传感器(例如气体传感器)的加热元件。
[0029]根据一个或多个实施例，使用石墨烯层(或其他传感器材料)作为设备或部件(例如传感器芯片)中的传感器元件和加热元件两者可具有可节省单独加热的效果。
[0030]一个或多个实施例的效果可以是由于省略附加加热结构而导致的传感器元件的明显更简单的设计。一个或多个实施例的另一效果可以是由于在传感器材料(例如石墨烯)本身中产生热量而导致的较低热损失。
[0031]图4示出了根据各种实施例的传感器400。
[0032]传感器400可包括包含传感器材料的传感器层403，其中，传感器材料的电阻在被吸附物吸附在传感器材料处时改变。换言之，传感器材料的电阻的值可取决于在传感器材料的表面处是否存在(被吸附)被吸附物(例如气体分子)，并且还可取决于在传感器材料的表面处存在(被吸附)的被吸附物的量(例如气体分子的数目)。传感器还可包括被电耦合到传感器层403且被配置成向传感器层403施加将传感器层403加热的电流的电路405。
[0033]传感器材料的电阻(或电阻率)在吸附被吸附物时的变化可引起传感器层403的电阻的相应变化。
[0034]根据一个或多个实施例，电路405与传感器层403之间的电耦合可包括至少一个电连接405a或者可由其实现。至少一个电连接405a可例如包括至少一个导电轨道。至少一个电连接405a可例如包括被耦合到传感器层403的至少一个电极。所述至少一个电极可例如包括或者是平面电极，或者可至少部分地被嵌入或沉入基板401中，或者可被传感器层403覆盖，或者可设置在传感器403上。
[0035]电路405可包括一个或多个电气和/或电子元件或部件，例如一个或多个无源和/或有源部件，和/或布线，例如一个和多个导电轨道，和/或一个或多个电容器，和/或一个或多个电感器，和/或一个或多个二极管，和/或一个或多个晶体管等。
[0036]可将电路405配置成控制传感器层的加热。例如，可将控制电路405配置成设置和/或控制传感器层403的温度。
[0037]根据一个或多个实施例，传感器层403可由传感器材料构成。
[0038]根据一个或多个实施例，传感器材料可具有大于或等于约106A/cm2、例如大于或等于约107A/cm2、例如大于或等于约108A/cm2的安培容量，然而其他值也可以是可能的。根据一个或多个实施例，可将“安培容量”或“载流容量”理解成指的是导体或设备在经受即刻或累进劣化之前能够载送的最大电流量。作为示例，可将具有16 A/cm2的安培容量的材料理解成是能够在经受即刻或累进劣化之前能够载送高达每cm2 16安培的电流的材料。
[0039]根据一个或多个实施例，传感器材料可包含或者可以是二维材料。
[0040]可例如将本文所使用的术语“二维材料”理解成包括或指的是在二维或平面结构中结晶的材料，其中，结构的第一几何维度(例如厚度)可以是基本上较小的，例如比结构的第二几何维度(例如长度)和/或第三几何维度(例如宽度)小至少两个数量级、例如小至少三个数量级、例如小至少四个数量级或者甚至更小。在一个或多个实施例中，可将术语“二维材料”理解成包括或指的是具有从由几个层、例如关于石墨烯的一个碳原子厚的层或关于MoS2的一个MoS2单元厚的层构成的材料得到的最薄可能结构(一个单独层)的材料。[0041 ] 根据一个或多个实施例，所述二维材料可包含或者可以是石墨烯。
[0042]根据一个或多个实施例，所述石墨烯可包括或者可以是功能化石墨烯。
[0043]可将术语“功能化石墨烯”理解成包括或指的是化学改性石墨烯或具有另一材料(例如纳米颗粒)的装饰或邻近层的石墨烯，其可用于实现朝向特定被吸附物的选择性，例如特定原子、分子或离子。
[0044]根据一个或多个实施例,该功能化石墨烯可包含纳米颗粒,例如金属纳米颗粒,例如钼(Pt)纳米颗粒或镍(Ni)纳米颗粒或无机化合物颗粒,例如金属氧化物纳米颗粒,例如二氧化猛(MnO2)纳米颗粒或二氧化钛T12纳米颗粒。
[0045]根据一个或多个实施例，该功能化石墨烯可包括或者可以是化学功能化石墨烯。根据一个或多个实施例，该化学功能化石墨烯可包括一个或多个官能团，例如一个或多个羧基和/或一个或多个氨基等。
[0046]根据一个或多个实施例，该二维材料可包含或者可以是二维半导体材料，换言之，是具有半导电性质的二维材料。
[0047]根据一个或多个实施例，该二维材料可包含或者可以是二维硫族化物材料，例如二硫化钥或二硫化鹤。
[0048]根据一个或多个实施例，该传感器材料可包含或者可以是金属氧化物，例如二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)或二氧化钛(T12)。
[0049]根据一个或多个实施例，传感器层403 (例如石墨烯层)可具有小于或等于约200nm、例如小于或等于约100 nm、例如小于或等于约80 nm、例如小于或等于约60 nm、例如小于或等于约40 nm、例如小于或等于约20 nm、例如在从约0.5 nm至约50 nm范围内、例如约0.34 nm (在传感器层403由单层的石墨烯构成的情况下)的厚度。
[0050]根据一个或多个实施例，传感器400可被配置成或者可以是化学传感器。例如，可在气体和/或液体中利用传感器400 (或者传感器400可暴露于该气体和/或液体)。
[0051]根据一个或多个实施例，传感器400可被配置为或者可以是气体传感器。换言之，传感器400可被配置成检测或感测一种或多种气体。
[0052]根据一个或多个实施例，可将气体传感器配置成检测或感测易燃和/或不易燃气体。
[0053]根据一个或多个实施例，传感器材料中的电子密度分布可在被吸附物(例如气体分子)吸附在传感器材料处时改变。
[0054]根据一个或多个实施例，传感器400可包括基板401,其中，可将传感器层403设置在、例如附着于基板401上，如所示。
[0055]根据一个或多个实施例，传感器层403可具有第一侧403a和与第一侧403a相对的第二侧403b，其中，第一侧403a可背对基板401且第二侧403b可面对基板401，如所示。
[0056]根据一个或多个实施例，可使传感器层403的第一侧403a暴露于被吸附物。
[0057]根据一个或多个实施例，被吸附物可被吸附在传感器层403的第一侧403a处。
[0058]根据一个或多个实施例，可将传感器层的第二侧403b附着于基板401。
[0059]根据一个或多个实施例，基板401可包括绝缘层(例如电绝缘层)或者可以是绝缘基板(例如电绝缘基板)，例如包含二氧化硅或由其构成的基板，例如玻璃基板，例如包含氮化硅或由其构成的基板，例如包含氧化铝或由其构成的基板。
[0060]根据一个或多个实施例，基板401可具有在从约I Mm至约1000 Mm范围内的厚度。
[0061]根据一个或多个实施例，基板401可包括半导体层和设置在半导体层上的绝缘层(例如电绝缘层)，其中，可将传感器层403设置在绝缘层(未示出，参见例如图5)上。
[0062]根据一个或多个实施例，基板401可包括腔,其中，可将传感器层403悬在腔(未不出，参见例如图6)上。
[0063]根据一个或多个实施例，传感器可包括悬在腔上的载体隔膜(也称为载体基板隔膜)，其中，可将传感器层附着于载体隔膜(未示出，参见例如图7)。
[0064]根据一个或多个实施例，由电路405施加的电流可流过传感器层403并因此将传感器层403加热。
[0065]根据一个或多个实施例，电流可将传感器层403加热到基本上高于室温的温度，例如到至少约50°C的温度，例如到至少约60°C的温度，例如到至少约80°C的温度，例如到至少约100°C的温度，例如到至少约11 (TC的温度，例如到至少约120°C的温度，例如到至少约130°C的温度，例如到至少约140°C的温度，例如到至少约150°C的温度，例如到在从约100°C至约150°C范围内的温度，例如在包含石墨烯或由其构成的传感器层的情况下，或者到至少约400°C的温度，例如到高达800°C的温度，例如到在从约400°C至约600°C范围内的温度，例如在包含金属氧化物或由其构成的传感器层的情况下。
[0066]根据一个或多个实施例，电路405还可被配置成测量传感器层403的电阻。
[0067]根据一个或多个实施例，电路405可被配置成使用电流来测量传感器层的电阻。
[0068]根据一个或多个实施例，该电流可包括或者可以是直流电流(DC)。
[0069]根据一个或多个实施例，该电流可包括或者可以是交变电流(AC)。
[0070]根据一个或多个实施例，该电流可以是第一电流，其中，电路405还可被配置成向传感器层403施加不同于第一电流的第二电流，并使用第二电流来测量传感器层403的电阻。
[0071]可将第一电流称为加热电流。可将第二电流称为测量电流或感测电流。
[0072]根据一个或多个实施例，第二电流可流过传感器层403，其中，传感器层403基本上未被第二电流加热。
[0073]根据一个或多个实施例，第二电流可具有低于第一电流的安培数，例如低于第一电流至少一个数量级，例如低于第一电流至少两个数量级，例如低于第一电流至少三个数量级或者低于第一电流超过三个数量级。
[0074]根据一个或多个实施例，第二电流可包括或者可以是直流电流(DC)。
[0075]根据一个或多个实施例，第二电流可包括或者可以是交变电流(AC)。
[0076]根据一个或多个实施例，电路405可被配置成交替地向传感器层403施加第一电流和第二电流。
[0077]根据一个或多个实施例，传感器可包括被电耦合到传感器层403的至少一个电极(例如至少两个电极，例如多个电极)(未示出，参见图8)。
[0078]图5不出了根据各种实施例的传感器500。
[0079]传感器500在某种程度上类似于图4的传感器400。特别地，相同的附图标记可表示与其相同或类似的元件，并且为了简洁起见将不会再次详细地描述。对以上描述进行参考。
[0080]在传感器500中，基板401包括半导体层401’和设置在半导体层401’上的绝缘层401’’，其中，传感器层403被设置在绝缘层401’’上。可将传感器层403附着于绝缘层401，’。
[0081]半导体层401’可包括半导电材料或者可由其构成。半导体层401’可以是硅层。半导体层401’可以是碳化硅层。半导体层401’可以是锗层。半导体层401’可以是化合物半导体层，例如II1-V化合物半导体层，例如氮化镓层或砷化镓层。
[0082]绝缘层401’’可包括绝缘材料,例如电绝缘材料,或者可由其构成。绝缘层401’可以是氧化层，例如氧化硅或氧化铝层。绝缘层401’可以是氮化物层，例如氮化硅或氮化硼层或具有低导热率的基于碳的材料，例如纳米结晶金刚石。
[0083]图6不出了根据各种实施例的传感器600。
[0084]传感器600在某种程度上类似于图4的传感器400。特别地，相同的附图标记可表示与其相同或类似的元件，并且为了简洁起见将不会再次详细地描述。对以上描述进行参考。
[0085]在传感器600中，基板401具有腔406，其中，传感器层403被悬在腔406上。
[0086]根据一个或多个实施例，传感器层403可沿着腔406的周界被附着于基板401。
[0087]腔406可提供用于传感器层403的热隔离。换言之，腔406可用于减少或防止在传感器403中产生的热的损失。
[0088]图7示出了根据各种实施例的传感器700。
[0089]传感器700在某种程度上类似于图6的传感器600。特别地，相同的附图标记可表示与其相同或类似的元件，并且为了简洁起见将不会再次详细地描述。对以上描述进行参考。
[0090]在传感器700中，传感器层403被附着于载体隔膜407,其被悬在腔406上。载体隔膜407可具有面对传感器层403的第一侧407a和与第二侧407a相反且面对基板401的第二侧407b。可将传感器层403附着于载体隔膜407的第一侧407a。
[0091]根据一个或多个实施例，载体隔膜407可沿着腔406的周界被附着于基板401。
[0092]根据一个或多个实施例，载体隔膜407可包含绝缘材料(例如电绝缘材料)或由其构成，例如氧化物(例如氧化硅，例如S12)或氧化铝(Al2O3)或氮化物(例如氮化硅，例如Si3N4)或氮化硼BN或具有低导热率的基于碳的材料,例如纳米结晶金刚石。
[0093]根据一个或多个实施例，载体隔膜407可具有几微米的厚度，例如小于或等于约lOOMm、例如小于或等于约50Mm、例如小于或等于约20Mm、例如小于或等于约10Mm、例如小于或等于约5Mm、例如小于或等于约lMm、例如在从约IMm至约10Mm范围内、例如在从约IMm至约50Mm范围内、例如在从约IMm至约20Mm范围内、例如在从约IMm至约1Mm范围内、例如在从约IMm至约5Mm范围内、例如在从约1Mm至约50Mm范围内的厚度。
[0094]图8示出了根据各种实施例的传感器800。
[0095]传感器800在某种程度上类似于图7的传感器700。特别地，相同的附图标记可表示与其相同或类似的元件，并且为了简洁起见将不会再次详细地描述。对以上描述进行参考。
[0096]传感器800包括可被电耦合到传感器层403的至少一个电极(例如多个电极)408。可将至少一个电极408设置在载体隔膜407上，例如在载体隔膜407的第一侧407a上，如所示。
[0097]根据一个或多个实施例，传感器层403可与至少一个电极408进行接触(例如，物理接触,例如直接物理接触)。
[0098]根据一个或多个实施例，可将传感器层403设置在至少一个电极408上。
[0099]根据一个或多个实施例，可将至少一个电极408至少部分地、例如完全地嵌入传感器层403中。
[0100]根据一个或多个实施例，至少一个电极408可包括至少一个导电材料或由其构成，例如金属或金属合金，诸如铜、铝、金、钼、包含上述金属中的至少一个的合金、导电化合物，例如诸如氮化钛或氮化钽之类的金属氮化物或导电碳。
[0101]根据一个或多个实施例，可将至少一个电极408配置和/或布置成执行传感器层403的电阻的四点测量。
[0102]根据一个或多个实施例，可将至少一个电极408配置和/或布置成执行传感器层403的电阻的两点测量。
[0103]根据一个或多个实施例，可将至少一个电极408电耦合到电路405。
[0104]一种用于制造根据各种实施例的、例如具有与传感器800类似的结构的传感器的方法可包括:提供载体基板，例如载体隔膜(例如几微米厚的自由悬浮的氧化硅(例如S12)或氮化硅(例如Si3N4)隔膜);在载体基板上形成一个或多个电极结构或电极(所述电极结构或电极可包括导电材料或由其构成，例如金属或金属合金(例如Au和/或Pt)、导电化合物(例如TiN和/或TaN)或导电碳)；在所述一个或多个电极结构或电极上沉积层，其包括传感器材料(例如诸如石墨烯、MoS2或WS2之类的二维材料)或由其构成。可将包括传感器材料或由其构成的层称为传感器层。
[0105]在示例中，传感器层可包括石墨烯或者可以是石墨烯层。
[0106]用于沉积石墨烯层的适当沉积过程可包括但不限于石墨烯或石墨烯氧化悬浮物的沉积和干燥或退火、或先前沉积在临时基板上的一个或多个石墨烯层的转移。
[0107]可例如通过使用以下过程中的一个或多个来形成石墨烯层:
a)石墨烯氧化物(例如剥落的石墨烯氧化物)的化学还原，其从例如“S.Stankovichet al.， Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduct1n ofexfoliated graphite oxide, Carbon 45 (2007) 1558”，或“D.Li et al.，Processableaqueous dispers1ns of graphene nanosheets, Nature Nanotechnology 3 (2008)101”被得知，其全部内容被通过引用整体地结合到本文中；
b)石墨烯的化学汽相沉积(CVD),其从例如“X.Li et al., Large-Area Synthesisof High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils, Science 324 (2009)131”或欧洲专利申请公开EP 2 055 673 Al或美国专利申请公开US 2009/0155561 Al被得知，其全部内容被通过引用整体地结合到本文中；
c)利用固相碳源的石墨烯形成，其从例如美国专利申请公开US2011/0206934 Al,或“Z.Sun et al., Growth of graphene from solid carbon sources, Nature 468 (2010)549”被得知，其全部内容被通过弓I用整体地结合到本文中；
d)石墨烯的固态外延生长，其从例如美国专利号US7,015, 142 B2或国际专利申请公开TO 2010/096646 A2被得知，其全部内容被通过引用整体地结合到本文中；
e)如上所述的过程b)、c)或d)，与到期望基板(例如载体基板，例如载体隔膜)上的转移过程组合，其从例如欧洲专利申请公开EP 2 055 673 Al或“K.S.Kim et al.，Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparentelectrodes, Nature 457 (2008) 706”被得知，其全部内容被通过引用整体地结合到本文中。
[0108]石墨烯层可例如包括多个微晶或薄片或由其构成，其可例如具有几微米、例如约IMm的尺寸(例如直径)。每个微晶可例如包括一个或多个片晶或由其构成，所述片晶可例如包括几层石墨烯或由其构成，例如高达五层，例如单层、双层、三层等的石墨烯，其中，单层的石墨烯可具有二维结构，其具有0.34nm的厚度。在一个或多个实施例中，石墨烯层可以是单个单层的石墨烯。
[0109]石墨烯层还可包括功能化石墨烯或由其构成，如上文所述，以实现朝向特定原子、分子或离子的选择性。可在向载体基板(例如载体隔膜)上施加石墨烯之前或之后产生石墨烯的功能化。
[0110]操作根据本文所述的一个或多个实施例的传感器的方法可包括将传感器层加热并测量传感器层的电阻。
[0111]可将根据一个或多个实施例的传感器的电路或布线实现为传感器层(例如石墨烯层)的电阻作为传感器函数的两点测量或四点测量，其可取决于化学环境(例如传感器层的表面处的被吸附物(例如气体分子)的存在和/或量)。加热功能可例如借助于附加电极接触来实现，其中，与电阻的四点测量的组合可以是可能的。测量传感器层的电阻并向传感器层中引入加热功率在每种情况下可通过施加直流电流(DC)或交变电流(AC)或两个类型的电流的组合来实现。
[0112]一般地，即在气体和液体两种情况下，可使用根据一个或多个实施例的传感器作为化学传感器。
[0113]根据上文结合图4至8所述的实施例，可由同一个结构、即包含例如具有可以以相对高的安培数载送加热电流的高安培容量的传感器材料的传感器层403来实现传感器的加热和感测功能。因此，可节省单独加热结构(例如加热层)，其可简化传感器设计。另外，可减少或避免热损失。
[0114]根据一个或多个实施例，还可由单独的、例如电绝缘结构来实现传感器的加热和感测功能，如图9中所示。
[0115]图9示出了根据各种实施例的传感器900。
[0116]传感器900在某种程度上类似于图7的传感器700。特别地，相同的附图标记可表示与其相同或类似的元件，并且为了简洁起见将不会再次详细地描述。对以上描述进行参考。
[0117]在传感器900中，将加热结构和传感器结构实现为单独结构。也就是说，传感器900可包括传感器层403以及可接近于传感器层403设置的单独加热层404，如所示。
[0118]可使加热层404与传感器层电绝缘，例如通过设置在加热层404与传感器层403之间的间隙和/或电介质层。
[0119]加热层404与传感器层403之间的间隙和/或电介质层的宽度可例如小于或等于约50 Mm,例如在从约0.5 Mm至约10 Mm范围内。
[0120]传感器层403可包含传感器材料或由其构成，例如本文所述的传感器材料中的任何一个，例如二维材料，例如石墨烯或二维半导体材料，例如MoS2或WS2。
[0121]加热层404可包含二维材料或由其构成，例如本文所述的二维材料中的任何一个，例如石墨烯或二维半导体材料，例如MoS2或WS2。
[0122]在一个或多个实施例中，传感器层403和加热层404可包括相同材料或由其构成。
[0123]例如，在一个或多个实施例中，传感器层403和加热层404两者都可包括石墨烯或由其构成。
[0124]在一个或多个实施例中，加热层404可包括非功能化石墨烯或由其构成，并且传感器层403可包括功能化石墨烯或由其构成。
[0125]传感器900还可包括被电耦合到加热层404且被配置成向加热层404施加电流以将传感器层403加热的电路905。例如，借助于施加于加热层404的电流，可将加热层404加热，从而由于接近于加热层404而将传感器层403加热。
[0126]根据一个或多个实施例，电路905与加热层404之间的电耦合可包括至少一个电连接405b，或者可由其实现。至少一个电连接405b可例如包括至少一个导电轨道。至少一个电连接405b可例如包括被耦合到加热层404的至少一个电极。
[0127]电路905可包括一个或多个电气和/或电子元件或部件，例如无源和/或有源部件，和/或布线，例如一个和多个导电轨道，和/或一个或多个电容器，和/或一个或多个电感器，和/或一个或多个二极管，和/或一个或多个晶体管。
[0128]可将电路905配置成控制传感器层403的加热。电路905还可被配置成测量传感器层403的电阻。
[0129]为此，还可将电路905电耦合到传感器层403，例如借助于至少一个电连接405a，例如类似于在上文针对电路405所述的。电路905可向传感器层403施加电流以例如以类似于上文在电路405的情况下所述的方式来测量传感器层403的电阻。
[0130]根据一个或多个实施例，可将传感器层403和加热层404设置在同一平面或者基本上同一平面中，如所示。
[0131 ] 根据一个或多个实施例，可将传感器层403设置在加热层404之间，例如横向地在加热层404之间，例如在加热层404的第一部分404’与加热层404的第二部分404’’之间，如所示。
[0132]加热层404可具有第一侧404a和与第一侧404a相对的第二侧404b，其中，第一侧404a可背对基板401且第二侧404b可面对基板404，如所示。在所示的示例中，可将加热层404设置在载体隔膜407上，其中加热层404的第二侧404b面对载体隔膜407的第一侧407ao
[0133]根据一个或多个实施例，传感器403和加热层404可已由单个沉积过程形成，例如在上文所述的用于形成石墨烯层的沉积过程中的任何一个。例如，传感器层403和加热层404可在最初已被形成为单个邻近层，例如作为单个邻近石墨烯层，并且该单个邻近层随后可已被图案化以形成相互分离的传感器层403和加热层404。
[0134]可看到传感器900的效果，在于可将加热结构(加热层404)设置在与传感器结构(传感器层403)相同的平面或基本上相同的平面中。因此，与具有图3中所示的外部加热器304的常规传感器300相比，可简化传感器的设计。此外，可将相同的材料用于传感器结构(传感器层403)和加热结构(加热层404)两者，例如石墨烯，其可例如被沉积在单个沉积过程中。然而，还可以使用不同的材料，例如作为传感器材料的功能化石墨烯和作为加热材料的非功能化石墨烯。
[0135]根据一个或多个实施例，传感器层403和加热层404中的至少一个(换言之，传感器层403和/或加热层404)可具有小的厚度，例如小于或等于约200nm、例如小于或等于约lOOnm、例如小于或等于约80 nm、例如小于或等于约60 nm、例如小于约40 nm、例如小于约20 nm、例如小于约10 nm、例如小于约5 nm、例如小于约I nm、例如在从约0.5 nm至约50nm范围内的厚度。
[0136]图10示出了说明根据各种实施例的感测方法1000的图。
[0137]方法1000可包括:提供具有包含传感器材料的传感器层的传感器，其中，传感器材料的电阻在被吸附物吸附在传感器材料处时改变(在1020中);向传感器层施加将传感器层加热的电流(在1040中);使被加热传感器层暴露于被吸附物(在1060中);测量被加热传感器层的电阻(在1080中)。
[0138]可例如根据本文所述的一个或多个实施例来配置传感器。
[0139]根据一个或多个实施例，该电流可包括或者可以是直流电流(DC)。根据一个或多个实施例，该电流可包括或者可以是交变电流(AC )。
[0140]根据一个或多个实施例，传感器材料可包括或者可以是二维材料。
[0141 ] 根据一个或多个实施例，二维材料可包括或者可以是石墨烯。
[0142]根据一个或多个实施例，石墨烯可包括或者可以是功能化石墨烯。
[0143]根据一个或多个实施例,该功能化石墨烯可包含纳米颗粒,例如金属纳米颗粒,例如钼纳米颗粒或镍纳米颗粒或无机化合物颗粒，例如金属氧化物纳米颗粒，例如二氧化锰(MnO2)纳米颗粒或二氧化钛T12纳米颗粒。
[0144]根据一个或多个实施例，传感器材料可包括或者可以是半导电二维材料。
[0145]根据一个或多个实施例，该二维材料可包括或者可以是硫族化物材料，例如二硫化钥(MoS2)或二硫化钨(WS2)。
[0146]根据一个或多个实施例，传感器层可具有小于或等于约200 nm、例如小于或等于约100 nm、例如小于或等于约80 nm、例如小于或等于约60 nm、例如小于约40 nm、例如小于约20 nm、例如小于约10 nm、例如小于约5 nm、例如小于约I nm、例如在从约0.5 nm至约50 nm范围内的厚度。
[0147]根据一个或多个实施例，传感器400可被配置成(或者可以是)化学传感器。
[0148]根据一个或多个实施例，传感器400可被配置成(或者可以是)气体传感器。
[0149]根据一个或多个实施例，使被加热传感器层暴露于被吸附物可包括使被加热传感器层暴露于流体。
[0150]根据一个或多个实施例，使被加热传感器层暴露于被吸附物可包括使被加热传感器层暴露于气体。
[0151]根据一个或多个实施例，电流可将传感器层加热到至少约100°C的温度，例如到在从约100°C至约150°C范围内的温度。
[0152]根据一个或多个实施例，测量被加热传感器层的电阻可包括使用电流来测量被加热传感器层的电阻。
[0153]根据一个或多个实施例，该电流可以是第一电流，其中，测量被加热传感器层的电阻可包括向传感器层施加不同于第一电流的第二电流，并使用第二电流来测量传感器层的电阻。
[0154]根据一个或多个实施例，可将第二电流配置成使得传感器层基本上未被第二电流加热。
[0155]根据一个或多个实施例，第二电流可具有低于第一电流的安培数。
[0156]根据一个或多个实施例，向传感器层施加第一和第二电流可包括交替地向传感器层施加第一和第二电流。
[0157]根据一个或多个实施例，交替地向传感器层施加第一和第二电流可包括可作为交替脉冲来施加第一和第二电流。
[0158]根据一个或多个实施例，第一电流(例如加热电流)的脉冲持续时间可在从约IPs至约10ms范围内。
[0159]根据一个或多个实施例，第二电流(例如测量电流)的脉冲持续时间可在从约IPs至约10ms范围内。
[0160]根据一个或多个实施例，第二电流可包括或者可以是直流电流(DC)。根据一个或多个实施例，第二电流可包括或者可以是交变电流(AC)。
[0161]根据各种实施例，石墨烯层可充当传感器(例如化学传感器，例如气体传感器)的传感器层且同时充当传感器的加热元件。为此，可向石墨烯层施加电流以将石墨烯层加热。当向石墨烯层施加电流时由石墨烯层产生的加热功率可足以将石墨烯层(和/或传感器)力口热到至少100°c的温度，例如到在从约100°C至约150°c范围内或者甚至更高的温度。例如，在其中将石墨烯层附着于薄的自由悬浮的载体隔膜(例如氧化物隔膜)的示例中，由石墨烯层产生的加热功率可足以将该石墨烯层(和/或传感器)加热至几百摄氏度的温度。为了将传感器加热至某个温度而施加的加热功率一般地可取决于特定传感器设计。例如，可用低于将具有不同设计的传感器加热到相同温度的加热功率来实现将其中石墨烯层被附着于悬在腔上的薄氧化物隔膜的传感器加热至一定温度，所述具有不同设计的传感器例如是其中将石墨烯层附着于玻璃基板或附着于设置在半导体基板上的氧化层的传感器。
[0162]根据各种实施例的传感器可包括:包含石墨烯的传感器层；被电耦合到传感器层并被配置成向传感器层施加将传感器层加热的电加热电流的电路。
[0163]根据一个或多个实施例，传感器层可由石墨烯构成。
[0164]根据一个或多个实施例，传感器可以是化学传感器，例如，气体传感器。
[0165]虽然已经参照特定实施例具体示出和描述了本公开的各个方面，但是本领域技术人员应该理解在不脱离如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在其中作出各种形式和细节上的变化。本公开的范围因而由所附权利要求表明，并且因此在权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变旨在被包含。
【权利要求】
1.一种传感器,包括: 传感器层，包括传感器材料，其中，传感器材料的电阻在被吸附物吸附在传感器材料处时改变； 电路，其被电耦合到传感器层并被配置成向传感器层施加将传感器层加热的电流。
2.权利要求1的传感器，其中，所述传感器材料包括大于或等于约16A/cm2的安培容量。
3.权利要求1的传感器，其中，所述传感器材料包括二维材料。
4.权利要求3的传感器，其中，所述二维材料包括石墨烯。
5.权利要求3的传感器,其中,所述二维材料包括硫族化物材料。
6.权利要求1的传感器，其中，所述传感器层具有小于或等于约200nm的厚度。
7.权利要求1的传感器，被配置为化学传感器。
8.权利要求1的传感器，被配置为气体传感器。
9.权利要求1的传感器，还包括基板，其中，所述传感器层被附着于基板。
10.权利要求9的传感器，其中，所述基板包括腔，其中，所述传感器层被悬在腔上。
11.权利要求10的传感器，还包括被悬在腔上的载体隔膜，其中，所述传感器层被附着于载体隔膜。
12.权利要求11的传感器，其中，所述载体隔膜包括电绝缘材料。
13.权利要求4的传感器,其中，所述石墨烯包括功能化石墨烯。
14.权利要求13的传感器,其中,所述功能化石墨烯包括纳米颗粒。
15.权利要求1的传感器，其中，所述电流将传感器层加热到至少约100°C的温度。
16.权利要求1的传感器，其中，所述电路还被配置成使用电流来测量传感器层的电阻。
17.权利要求1的传感器，其中，所述电流是第一电流，其中，所述电路还被配置成向传感器层施加不同于第一电流的第二电流，并使用第二电流来测量传感器层的电阻。
18.权利要求17权利要求传感器，其中，所述电路被配置成交替地向传感器层施加第一电流和第二电流。
19.一种传感器,包括: 传感器层，包括传感器材料； 加热层，接近于传感器层设置，该加热层包括二维材料； 电路，其被电耦合到加热层并被配置成向加热层施加电流以将传感器层加热。
20.权利要求19的传感器，其中，所述二维材料包括石墨烯。
21.权利要求20的传感器，其中，所述传感器材料包括石墨烯。
22.权利要求19的传感器，其中，所述传感器材料包括非功能化石墨烯且所述二维材料包括功能化石墨烯。
23.权利要求19的传感器，其中，所述传感器层和所述加热层被设置在同一平面中。
24.一种感测方法，包括: 提供具有包括传感器材料的传感器层的传感器，其中，所述传感器材料的电阻在被吸附物吸附在传感器材料处时改变； 向传感器层施加将传感器层加热的电流；使被加热传感器层暴露于被吸附物； 测量被加热传感器层的电阻。
25.权利要求24的感测方法，其中，测量被加热传感器层的电阻包括使用电流来测量被加热传感器层的电阻。
26.权利要求24的感测方法，其中，所述电流是第一电流，其至，测量被加热传感器层的电阻包括向传感器层施加不同于第一电流的第二电流，并使用第二电流来测量传感器层的电阻。
27.权利要求26的感测方法，其中，向传感器层施加第一和第二电流包括交替地向传感器层施加第一和第二 电流。
【文档编号】G01N27/12GK104049002SQ201410094493
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】W.布吕尔, G.鲁尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司