纳米孔阵列传感器元件和包括其的传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种传感器元件和包括该传感元件的传感器。该传感器依次包括吸收层、金属层和光学透明的介电基板。该吸收层包含具有固有微孔性的聚合物，其具有至少0.1nm3的平均孔体积。该金属层具有多个开口，每个开口从该金属层的第一主表面延伸至该金属层的第二主表面，这些开口具有在50nm至5000nm范围内的间距，其中这些开口具有在该间距的5％至95％范围内的开口尺寸。围内的开口尺寸。围内的开口尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米孔阵列传感器元件和包括其的传感器


[0001]本专利技术广泛地涉及传感器，并且更具体地涉及基于表面等离子体共振的纳米孔阵列传感器。传感器可以用于例如定量检测挥发性有机化合物。

技术介绍

[0002]检测化学蒸气，尤其是挥发性有机化合物(VOC)的能力在包括健康和环境安全的许多领域都很重要。这种对有机蒸气的检测和/或监测尤其可用于(例如)所谓的“使用寿命结束指示器”中，该指示器是个人防护设备(例如呼吸器)所需的。
[0003]已经开发出许多用于检测化学分析物的方法，包括光学、重量分析和微电子机械(MEMS)方法。具体而言，已经开发出用于监测电气性质(例如电容、阻抗、电阻等)的传感器。这类传感器常常依赖于分析物被吸附到材料上或吸收到其中时材料电气性质发生的变化。
[0004]表面等离子体共振光谱作为一种检测有机蒸气的分析技术最近受到了关注。表面等离子体共振光谱是一种光学传感技术，其中表面等离子体在金属表面与电介质之间的边界处产生。表面等离子体为表面电磁波，该表面电磁波在平行于金属/电介质(或金属/真空)表面的方向上传播。由于波在金属和电介质的边界上，因此这些振动对该边界处环境的任何变化都非常敏感，诸如分子对金属表面的吸附。
[0005]表面等离子体共振光谱通常利用设置在光学透明基板(例如，玻璃)上的薄金属层。电磁辐射(例如，紫外光、可见光或红外光)通过透明基板引导到薄金属层处，以在薄金属层的与电磁辐射源相对的表面处产生渐逝波。在一种称为Kretschmann配置的变型中，检测器分析从金属表面反射的光。在替代变型中，金属层包括具有亚波长尺寸的纳米孔的周期性阵列(即，纳米孔阵列)，并且检测器在与电磁辐射源相背的一侧分析透射通过金属层的电磁辐射。后一种配置提供了一种具有紧凑的共线光学布置的更简单的传感器，具有更高的分析物灵敏度。

技术实现思路

[0006]本公开描述了用于等离子体共振传感器的独特纳米孔阵列传感元件，其可以用于基于透射光的折射定量地检测和测量VOC。
[0007]在一个实施方案中，本公开提供了一种传感器元件，该传感器元件依次包括吸收层，该吸收层具有第一主表面和第二主表面；金属层，该金属层设置在吸收层的第二主表面上；以及光学透明的介电基板，该光学透明的介电基板具有相背的第一主表面和第二主表面，金属层设置在该基板的第一主表面上。吸收层包含具有固有微孔性的聚合物，其具有至少0.1nm3的平均孔体积。金属层具有相背的第一主表面和第二主表面以及多个开口，每个开口从金属层的第一主表面延伸至金属层的第二主表面，所述开口具有在50nm至5000nm范围内的间距，其中开口具有在间距的5％至95％范围内的开口尺寸。
[0008]在另一个实施方案中，本公开提供了一种用于有机溶剂的传感器，其包括本公开的传感器元件。
[0009]在另一个实施方案中，本公开提供了一种传感器，其包括光源、本公开的传感器元件和测量通过传感器元件的光透射的检测器。
[0010]包括本公开的纳米孔阵列传感器元件的传感器被配置为测量由传感元件发射的电磁辐射。与使用Kretschmann配置的装置相比，本公开中的传感器更简单、更紧凑，能够使用单个和多个波长源，并且对目标分析物(例如，VOC)表现出更高的灵敏度。
[0011]如本文所用：
[0012]术语“包括”及其变型形式在说明书和权利要求书中出现这些术语的地方不具有限制的含义。此类术语将理解为暗示包括所陈述的步骤或要素或者步骤或要素的组，但不排除任何其他步骤或要素或者步骤或要素的组。所谓“由
……
组成”是指包括并且限于短语“由
……
组成”随后的内容。因此，短语“由
……
组成”指示列出的要素为所需的或强制性的，并且不可存在其他要素。所谓“基本上由
……
组成”是指包括在该短语之后所列出的任何要素，并且限于不妨碍或有助于本公开中对所列要素规定的活性或作用的其他要素。因此，短语“基本上由
……
组成”指示所列要素为所需的或强制性的，但其他要素为任选的并且可存在或可不存在，取决于它们是否实质上影响所列要素的活性或作用。
[0013]在本申请中，术语诸如“一个”、“一种”、“该”和“所述”并非仅旨在指单一实体，而是包括一般类别，其具体示例可用于举例说明。术语“一个”、“一种”、“该”和“所述”可与短语“至少一个(种)”和“一个(种)或多个(种)”互换使用。后接列表的短语
“……
中的至少一个(种)”和“包含
……
中的至少一个(种)”是指列表中项目中的任一项以及列表中两项或更多项的任何组合。
[0014]除非内容另外清楚指出，否则术语“或”一般以包括“和/或”的普通意义使用。
[0015]术语“和/或”意指所列要素中的一个或全部，或者所列要素中的任何两个或更多个的组合。
[0016]另外在本文中，所有数值假定通过术语“约”修饰，并且在某些实施方案中通过术语“精确地”修饰。如本文所用，关于所测量的量，术语“约”是指所测量的量方面的偏差，这个偏差为如一定程度地小心进行测量的技术人员应当能预期的那种与测量的目标和所用测量设备的精确度相称的偏差。在本文中，“至多”某数字(例如，至多50)包括该数字(例如，50)。
[0017]另外在本文中，通过端点表述的数值范围包括该范围内包含的所有数字以及端值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。
[0018]贯穿本说明书的对“一些实施方案”的引用，意指结合实施方案所述的具体特征、构型、组合物或特性包括在本公开的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书在各处出现的此类短语不一定是指本公开中的相同实施方案。此外，具体特征、构型、组合物或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式进行组合。
[0019]术语“光”通常是指电磁光谱的紫外、可见和红外区域中的电磁辐射。
[0020]本公开的上述概述并非旨在描述本公开的每个公开实施方案或每种实现方式。以下描述更具体地举例说明了例示性实施方案。
附图说明
[0021]图1是本公开的传感器元件的一个实施方案的示意性俯视平面图；
[0022]图2A是传感器元件沿图1中的线2
‑
2的示意性剖视图；
[0023]图2B是传感器元件沿图1中的线2
‑
2的示意性剖视图，其中吸收层被去除；
[0024]图3是本公开的传感器的一个实施方案的示意性侧视图；
[0025]图4是可用于本申请的传感器元件中的具有周期性纳米孔阵列的金属层的SEM图像；
[0026]图5A是使用没有PIM的传感元件的实施例1的吸收光谱；
[0027]图5B是基于图5A中的吸收光谱的峰位置对时间的曲线图；
[0028]图6A是使用具有PIM的传感元件的比较例1的吸收光谱；
[0029]图6B是基于图6A中的吸收光谱的峰位置对时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种传感器元件，所述传感器元件依次包括：吸收层，所述吸收层具有第一主表面和第二主表面，所述吸收层包含具有固有微孔性的聚合物，所述聚合物具有至少0.1nm3的平均孔体积；金属层，所述金属层设置在所述吸收层的所述第二主表面上，所述金属层具有相背的第一主表面和第二主表面以及多个开口，每个开口从所述金属层的所述第一主表面延伸至所述金属层的所述第二主表面，所述开口具有在50nm至5000nm范围内的间距，其中所述开口具有在所述间距的5％至95％范围内的开口尺寸；和光学透明的介电基板，所述光学透明的介电基板具有相背的第一主表面和第二主表面，所述金属层设置在所述基板的所述第一主表面上。2.根据示例性实施方案1A所述的传感器元件，其中所述开口是圆形、椭圆形或多边形(例如，三角形、正方形或矩形)中的一种。3.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述聚合物包括具有选自以下的单体单元的均聚物：和4.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述吸收层具有在10nm至10,000nm范围内的平均厚度。5.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述金属层包含金、银、铜、铂、钌、镍、钯、铑、铱、铬、铝、铁、铅、锡、锌、它们的组合以及它们的合金中的至少一种。6.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述金属层具有在5nm至1000nm范围内的平均厚度。7.根据任一前述权利要求所述的传感器元件，其中所述开口具有正方形网格、矩形网格、六边形网格...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜明燦，丹尼尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：