用含氟聚合物过滤器涂覆的电阻金属氧化物气体传感器制造技术

本发明专利技术特别涉及电阻金属氧化物气体传感器。该传感器特别包括支撑结构和布置在支撑结构上或部分地容纳在其中的感测材料贴片。贴片包括金属氧化物材料。电极与贴片电连通。传感器还包括与贴片热连通的加热器，以及选择性透气过滤器。选择性透气过滤器包括含氟聚合物。贴片的外表面的第一部分覆盖支撑结构的一部分，而所述外表面的剩余部分由选择性透气过滤器涂覆，以便形成感测材料的涂覆贴片。本发明专利技术还涉及相关设备和操作的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用含氟聚合物过滤器涂覆的电阻金属氧化物气体传感器
本专利技术一般而言涉及电阻金属氧化物气体传感器及其操作方法领域。特别地，本专利技术涉及覆盖有过滤层的电阻金属氧化物气体传感器。
技术介绍
已知气体传感器用于基于各种技术检测气体。这些传感器包括至少一个对一种或多种气体的存在或浓度敏感的感测(或活性)元件。一类已知的气体传感器是检测可燃气体的存在的催化气体传感器或催化燃烧式传感器(pellistors)。在催化燃烧式传感器中，检测器元件根据可燃气体的存在提供电阻测量。特别地，检测器元件中的电阻随着可燃气体(如果存在的话)的催化氧化产生的温度变化而变化。为了促进气体的燃烧，传感器在升高的温度下操作，即，通常大于300℃，例如从450℃至750℃。另一类气体传感器涉及化学电阻器，即，电阻响应于其直接化学环境的变化而变化的材料。化学电阻器有时被定义为依赖于感测材料和分析物之间的直接化学相互作用。但是，化学电阻器的更一般定义包括电阻响应于其直接环境中的任何类型的相互作用(化学相互作用、氢键相互作用、范德华力相互作用等)而变化的材料。在每种情况下，感测材料可以包含金属氧化物材料，其可以例如包括氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钨、氧化铟和氧化镓中的一种或多种。金属氧化物可以用于检测分析物，诸如挥发性有机化合物(VOC)、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨或硫化氢。在金属氧化物传感器中，气态分析物与(加热的)金属氧化物层相互作用。作为相互作用的结果，敏感膜的导电性可以变化，并且该变化可以被测量。这样的气体传感器也被称为“高温化学电阻器”，因为分析物的化学性质在敏感膜的高温下被转换成电阻。这样的传感器设备需要加热器来加热感测材料。它们可以被集成到半导体基板上，在这种情况下，加热器有利地布置在半导体基板中的开口上方的膜上，从而与其中加热器布置在大部分基板材料上方的设备相比减少了热损失。将加热器布置在膜上具有若干优点，诸如降低功耗、增加灵敏度和减少接通设备所需的时间。WO2014012951(A1)描述了一种包括有源元件和过滤盖的气体传感器，其中盖包括多孔过滤元件，用于阻挡(counteracting)一种或多种大气气体进入有源元件。有源元件和盖的过滤元件之间存在间隔。此外，过滤元件包括机械致密的过滤材料粉末。即，过滤盖包括由限定用于过滤元件的插口的适当刚性材料形成的支撑件。过滤盖的支撑件和过滤元件一起限定其中有源元件与相关联的热板以及电路系统一起部署的腔体或间隙。已发现过滤元件和有源(或感测)元件之间的间隔或间隙有利于避免来自有源元件的热损失。在小规模有源元件的设计(例如基于MEMS技术)中热损失可能非常重要。此外，如可以被实现的，这种分离对于避免损坏过滤盖可能是必要的。由于该分离或间隙，感测元件可以在升高的温度(例如，高于350C或甚至400C)下操作，而不会损坏过滤盖。与感测元件分离的过滤器的支撑件需要一定的刚度和厚度，这与分离间隙一起造成可能不利于小型消费电子设备的设备高度。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术被实施为电阻金属氧化物气体传感器。该传感器特别包括支撑结构和布置在支撑结构上或部分容纳在其中的感测材料贴片。该贴片包括金属氧化物材料。电极与贴片电连通。该传感器还包括与贴片热连通的加热器，以及选择性透气过滤器。选择性透气过滤器包括含氟聚合物。贴片的外表面的第一部分覆盖支撑结构的一部分，而所述外表面的剩余部分由选择性透气过滤器涂覆，使得形成感测材料的涂覆贴片。由于选择性透气过滤器涂覆感测材料贴片的外表面的剩余部分，因此在过滤器和感测材料之间没有间隔、没有间隙，即，没有死区体积。这种结构为普遍接受的方案带来挑战，根据该方案，过滤器应该与加热的感测材料分离，特别是当过滤器包含热不稳定的材料时。本设计简化了制造过程，同时它允许传感器的快速响应。同时，本专利技术人已经认识到，上述传感器可以已经在中等温度(例如，在低于300C)下安全且高效地操作，以防止损坏过滤器中使用的含氟聚合物材料。特别地，在实施例中，气体传感器还可以包括温度控制器。温度控制器是连接到加热器的电子电路或处理单元，并且被编程、设计、调配或配置为防止加热器将涂覆贴片加热到超过300C的温度。在更复杂的实施例中，气体传感器还包括布置在电阻金属氧化物气体传感器中用于估计涂覆贴片的温度的温度传感器。该温度传感器可以形成加热器的一部分。该温度控制器连接到加热器，并且如果需要的话，连接到温度传感器。该温度控制器可以与加热器以及在必要时与温度传感器一起形成反馈回路，以便在操作中将涂覆贴片的温度维持在低于含氟聚合物的玻璃化转变温度的基本恒定的值。在优选的实施例中，反馈回路在操作中将涂覆贴片的温度维持在100C和240C之间，优选地在150C和200C之间的基本恒定的值。优选地，含氟聚合物包含Teflon(铁氟龙)，其提供令人满意的过滤性能。例如，可以使用无定形氟塑料(TeflonAF)，例如，TeflonAF1600或TeflonAF2400。在实施例中，过滤器包括一层或多层材料，包括含氟聚合物层(后者包含所述含氟聚合物)。含氟聚合物层的平均厚度在10nm和50μm之间，优选地在10nm和2μm之间。优选地，贴片的感测材料的平均厚度在0.1μm和50μm之间，更优选地在0.5μm和5μm之间。小厚度的含氟聚合物层和/或感测材料以及不存在分离使得减小了传感器的高度，这又使其易于集成到更大的设备中(例如，CMOS电路系统，用于集成到家庭自动化设备、消费电子产品、智能电话或其它移动设备中)。浅的传感器还有利于批量生产。如本专利技术人进一步认识到的，使用厚度大于300nm的含氟聚合物层将基本防止诸如O3或NO2的反应性气体到达感测材料。因此，在应用中，含氟聚合物层的平均厚度在300nm和50μm之间，以阻止这种反应性气体的进入。相反，可以寻求10nm和300nm之间的厚度来特别地感测这样的气体。在特定应用中，含氟聚合物层的平均厚度在50nm和250nm之间，并且金属氧化物材料包括掺杂有0.01-1.0Wt％铂和/或钯的SnO2。已经发现这种解决方案对于感测臭氧尤其高效。在实施例中，金属氧化物气体传感器还包括例如直接集成到所述支撑结构上或所述支撑结构中的评估单元。评估单元是连接到电极以从其接收信号的电子电路或处理单元。它被编程、设计、调配或配置为基于从电极接收到的信号确定指示金属氧化物材料的电导率的值，以便识别所感测的气体。在实施例中，选择性透气过滤器包含含氟聚合物层和中间层。即，贴片的外表面的剩余部分被中间层涂覆，并且中间层被含氟聚合物层涂覆。中间层可以例如是催化惰性的，或者至少比含氟聚合物活性低，以帮助防止含氟聚合物的过早分解。中间层通常包括化学惰性材料，例如，诸如SiO2的绝缘体。在变体中，它可包含聚合物。优选地，外表面的第一部分涂覆支撑结构的所述部分，例如，其在其暴露的表面上平坦地延伸，如在“膜”配置中，这具有若干优点，诸如降低功耗、增加灵敏度和减少接通设备的时间。根据另一方面，本专利技术被实施为“多像素”电阻金属氧化物气体传感器，以伴随地感测若干种类型的气体分子。即，这种传感器包括一个或多个支撑结构和一组感测材料贴片，其中每个贴片包括金属氧化物材料并且被布置在其中一个支撑结构上或部分地容纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，包括支撑结构(6，6a，27，29)；感测材料的贴片(21)，包括金属氧化物材料(21)，所述贴片(21)布置在支撑结构(6，6a，27，29)上或部分容纳在其中；电极(3)，与贴片(21)电连通；加热器(5)，与贴片(21)热连通；以及选择性透气过滤器(22，23)，其中：选择性透气过滤器(22，23)包括含氟聚合物(23)；贴片(21)的外表面的第一部分(S1)覆盖支撑结构(6，6a，27，29)的一部分；以及所述外表面的剩余部分(S2)由选择性透气过滤器(22，23)涂覆，以便形成感测材料的涂覆贴片(2，2a‑2c)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，包括支撑结构(6，6a，27，29)；感测材料的贴片(21)，包括金属氧化物材料(21)，所述贴片(21)布置在支撑结构(6，6a，27，29)上或部分容纳在其中；电极(3)，与贴片(21)电连通；加热器(5)，与贴片(21)热连通；以及选择性透气过滤器(22，23)，其中：选择性透气过滤器(22，23)包括含氟聚合物(23)；贴片(21)的外表面的第一部分(S1)覆盖支撑结构(6，6a，27，29)的一部分；以及所述外表面的剩余部分(S2)由选择性透气过滤器(22，23)涂覆，以便形成感测材料的涂覆贴片(2，2a-2c)。2.根据权利要求1所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，还包括：温度控制器(4，4a，118，120)，其中温度控制器(4，4a，118，120)是连接到加热器(5)的电子电路或处理单元，并且被编程、设计、调配或配置为防止加热器(5)将涂覆贴片(2，2a-2c)加热到超过300C的温度。3.根据权利要求1所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，还包括：温度传感器(5)，布置在电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)中，用于估计涂覆贴片(2，2a-2c)的温度，其中温度传感器优选地形成加热器(5)的一部分；以及温度控制器(4，4a，118，120)，连接到加热器(5)并且如果需要，连接到温度传感器(5)，其中温度控制器(4，4a，118，120)是电子电路或处理单元，并且被编程、设计、调配或配置为与所述加热器(5)并且在必要时与所述温度传感器一起形成反馈回路，以便在操作中将所述涂覆贴片(2，2a-2c)的温度维持在低于含氟聚合物的玻璃化转变温度的基本恒定的值。4.根据权利要求3所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，其中，所述反馈回路是为了在操作中将所述涂覆贴片(2，2a-2c)的温度维持在100C和240C之间，并且优选地在150C和200C之间的基本恒定的值。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，其中所述含氟聚合物(23)包括Teflon，优选地为无定形氟塑料Teflon，并且更优选地为TeflonAF1600或TeflonAF2400。6.根据权利要求1或5所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，其中：所述选择性透气过滤器(22，23)包括一层或多层材料，该一层或多层包括含氟聚合物层(23)，含氟聚合物层(23)包含所述含氟聚合物；以及含氟聚合物层(23)的平均厚度在10nm和50μm之间，并且优选地在10nm和2μm之间。7.根据权利要求6所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，其中，含氟聚合物层(23)的平均厚度在300nm和50μm之间。8.根据权利要求6所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，其中，含氟聚合物层(23)的平均厚度在10nm和300nm之间。9.根据权利要求8所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，其中，含氟聚合物层(23)的平均厚度在50nm和250nm之间，并且所述金属氧化物材料(21)包括掺杂有0.01-1.0Wt％铂和/或钯的SnO2。10.根据权利要求1至9中任一项所述的电阻金属氧化物气体传感器(1，1a)，还包括评估单元(4，4a，118，120)，其中，评估单元(4，4a，118，120)是连接到所述电极(3)以从中接收信号的电子电路或处理单元，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·安德森，A·罗载塔，
申请(专利权)人：盛思锐股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH