【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】解耦热力学感测系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于
2020
年
11
月6日提交的题为“解耦热力学感测系统”的美国临时专利申请第
63/110,829
号的权益，其全部内容通过引用并入本文
。
[0003]本公开描述了一种超灵敏
、
超薄的热力学感测平台，用于在单分子水平上检测气相中的化合物
。
这种热力学传感器平台在本文中可以称为“解耦热力学传感器”。
其中描述的感测系统将加热和感测功能解耦，从而在单分子水平上产生无与伦比的传感器选择性和灵敏度
。
其中描述的解耦热力学传感器已用于检测化合物，其包括爆炸物
(
包括三丙酮三过氧化物
(TATP)
和二硝基甲苯
(DNT))、
麻醉品和毒品
(
包括芬太尼和可卡因
)、
致幻和非致幻化合物
(
包括大麻二酚
(CBD)
和四氢大麻酚
(THC))
，以及各种其他挥发性有机物
(
丙酮
、
天然气
、
丙烷等
)。
该感测系统专为包括呼吸分析仪和可穿戴设备在内的各种医疗保健应用而设计
。
解耦热力学感测系统已被用于检测与各种慢性和急性疾病
(
包括糖尿病
、
慢性肾病
(CKD)、>阿尔茨海默病和癌症
)
相关的呼吸
、
皮肤和汗液生物标志物
。
技术介绍
[0004]利用微加热器的传感器已被证明能有效检测痕量水平的气相中的爆炸物，如三丙酮三过氧化物
(TATP)。
此类传感器包括
Gregory
等人的美国专利
9,759,699
和
Ricci
等人于
2020
年7月9日发表在
《IEEE
传感器杂志
》
上的“使用超灵敏
、
低功率传感器对
TATP
进行连续监测
(Continuous Monitoring of TATP Using Ultrasensitive,Low
‑
Power Sensors)”中描述的传感器，其中每篇的全部内容通过引用并入本文
。
虽然这些传感器非常有效，但希望提供具有增加的灵敏度的传感器
。
[0005]这些现有的化学传感器包括相对厚的
(
以数百微米为单位测量的
)
氧化铝衬底
、
用于微加热器的相对厚的镍膜以及加热器和催化剂之间的厚钝化层
。
此外，需要大约
500℃
的温度来操作这些传感器，因此加热器需要大量的功率
。
这些传感器的部件的相对较大的热质量进一步增加了操作所需的功率
。
此外，这些传感器包含各向同性的衬底，其向所有方向传递热
。
发现这种大的热质量与横向热传递相结合会影响催化剂的热测量的准确性
。
[0006]其他已知的传感器试图减少热质量
。
例如，使用超薄
(<50
μ
m)
衬底制造类似的传感器
。
这样的传感器表现出更低的操作温度要求
、
改进的传感器响应时间和改进的灵敏度
。
尽管如此，这些传感器仍需要
175℃
的温度进行操作，并且检测限为万亿分之一
(ppt)
水平
。
[0007]鉴于先前已知系统的上述缺点，需要在低于
175℃
的温度下操作的化学传感器
。
[0008]还希望具有比一些已知系统需要更少功率来操作的化学传感器
。
[0009]还希望具有能够检测极低浓度物质的化学传感器
。
技术实现思路
[0010]本文提供了一种具有无与伦比的灵敏度的解耦热力学感测系统
。
如本文所用，如
果系统的加热装置与系统中的薄膜传感器分离且不接触，则热力学感测系统是“解耦”的
。
解耦检测装置的示例包括其中衬底设置在微加热器和薄膜传感器之间的检测装置
。
解耦传感器的实施方式可以在远低于
175℃
的温度下操作，并且使用比已知传感器少得多的功率
。
此外，根据本专利技术的热力学感测系统的实施方式具有解耦的加热层和感测层，从而导致提高的灵敏度，并且能够进行单分子检测，即检测气相中化合物的单分子
。
[0011]在一些优选实施方式中，传感器包括沉积在超薄
(
＜
40
μ
m
厚
)
氧化钇稳定的氧化锆衬底上的铜基微加热器，由于铜的导电性和导热性，这导致提高的加热效率
。
此外，在优选实施方式中，传感器包括沉积在超薄氧化钇稳定的氧化锆衬底的相对面上的钯基微加热器，这导致传感器灵敏性和选择性相比已知装置增加
。
解耦热力学传感器的实施方式显示出高度各向异性的热特性，这导致衬底表面之间的局部加热
。
解耦热力学传感器的实施方式要求微加热器如此精确地对准，以保证最佳的加热效率并相应地提高功率效率
。
解耦热力学传感器的实施方式已经显示出在单分子水平上以相对最小的功率要求检测气相中的一种或多种化学化合物的能力
。
[0012]根据一些方面，提供了包括至少一个多层传感器的检测装置
。
在一些实施方式中，传感器具有四个层
。
例如，传感器可以包括具有微加热器
(
如，金属微加热器
)
的第一层
、
与第一层接触的第二层
、
与第二层接触的第三层和与第三层接触的第四层，所述微加热器被配置为以第一功率水平接收功率以达到设定点温度
。
第二层可以是衬底
。
第三层可以是薄膜金属传感器，其被配置为测量由化学反应引起的热效应所产生的功率水平
。
第四层可以包括催化剂，该催化剂被配置为当暴露于分析物时进行化学反应
。
化学反应可以是吸热的或放热的
。
金属微加热器可以接收第一功率水平的功率，以维持设定点温度并向金属传感器提供热
。
金属传感器可以接收第二功率水平的功率，以测量催化剂开始化学反应之后的响应
。
[0013]在一些实施方式中，金属微加热器可以是铜
。
衬底可以是氧化钇稳定的氧化锆
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种检测装置，其包括：传感器，所述传感器包括：包括金属微加热器的第一层，与所述第一层接触的第二层，所述第二层包括衬底，与所述第二层接触的第三层，所述第三层包括薄膜传感器，以及与所述第三层接触的第四层，所述第四层包括催化剂，其中所述薄膜传感器被配置为检测由化学反应引起的热效应
。2.
根据权利要求1所述的检测装置，其中所述金属微加热器是铜
。3.
根据权利要求1所述的检测装置，其中所述薄膜传感器是钯
。4.
根据权利要求1所述的检测装置，其中所述催化剂是金属氧化物催化剂
。5.
根据权利要求1所述的检测装置，其中所述衬底是氧化钇稳定的氧化锆
。6.
根据权利要求1所述的检测装置，其中所述衬底具有小于
40
微米的厚度
。7.
根据权利要求1所述的检测装置，其中所述衬底在所述金属微加热器和所述薄膜传感器之间提供钝化层
。8.
根据权利要求1所述的检测装置，其中所述传感器被配置为基于所述热效应检测气相中的分析物
。9.
根据权利要求8所述的检测装置，其中所述传感器被配置为以低至所述分析物的单个分子的浓度水平检测所述分析物
。10.
根据权利要求1所述的检测装置，还包括与所述传感器通信的控制器
。11.
根据权利要求
10
所述的检测装置，还包括与所述控制器通信的参比传感器
。12.
根据权利要求
10
所述的检测装置，还包括与所述控制器通信的第二传感器，所述第二传感器包括第二催化剂
。13.
根据权利要求
12
所述的检测装置，还包括包含第三催化剂的第三传感器
、
包含第四催化剂的第四传感器和包含第五催化剂的第五传感器，所述第三传感器
、
第四传感器和第五传感器中的每一个与所述控制器通信
。14.
根据权利要求
13
所述的检测装置，其中所述催化剂包括氧化铝铜
(Al2CuO4)
，所述第二催化剂包括氧化铁
(Fe2O3)
，所述第三催化剂包括氧化铟锡
(ITO)
，所述第四催化剂包括氧化锡
(SnO)
以及所述第五催化剂包括氧化钨
(WO)。15.
根据权利要求
14
所述的检测装置，还包括第六传感器，所述第六传感器包括选自氧化铜
(CuO)
或氧化锰
(MnO)
的第六催化剂
。16.
一种检测装置，其包括：第一传感器，所述第一传感器包括第一微加热器
、
第一薄膜传感器和与所述第一薄膜传感器热连通的第一催化剂，所述第一微加热器通过衬底与所述第一薄膜传感器分离；第二传感器，所述第二传感器包括第二微加热器层
、
第二薄膜传感器和与所述第二薄膜传感器热连通的第二催化剂层，所述第二微加热器与所述第二薄膜传感器分离；控制器，其与所述第一传感器和所述第二传感器通信，所述控制器被配置为：使第一量的功率被提供给所述第一和第二微加热器，以将所述第一薄膜传感器加热到第一设定点温度并将所述第二薄膜传感器加热至第二设定点温度；响应于在所述第一或第二传感器处的吸热反应，使第二量的功率施加到所述第一传感
器或所述第二传感器中的至少一个，以维持所述第一设定点温度和所述第二设定点温度；确定所述第一量的功率和所述第二量的功率之间的差的测量，以及基于所述测量来确定所述分析物的存在
、
身份和
/
或浓度
。17.
根据权利要求
16
所述的检测装置，其中所述第一设定点温度与所述第二设定点温度相同
。18.
根据权利要求
16
所述的检测装置，还包括参比传感器，所述参比传感器包括参比微加热器和参比薄膜传感器，所述参比传感器与所述控制器通信
。19.
根据权利要求
16
所述的检测装置，进一步包括：第三传感器，所述第三传感器包括第三微加热器
、
第三薄膜传感器和与所述第三薄膜传感器热连通的第三催化剂；第四传感器，所述第四传感器包括第四微加热器
、
第四薄膜传感器和与所述第四薄膜传感器热连通的第四催化剂；和第五传感器，所述第五传感器包括第五微加热器
、
第五薄膜传感器和与所述第五薄膜传感器热连通的第五催化剂
。20.
根据权利要求
19
所述的检测装置，其中所述第一催化剂包括氧化铝铜
(Al2CuO4)
，所述第二催化剂包括氧化铁
(Fe2O3)
，所述第三催化剂包括氧化铟锡
(ITO)
，所述第四催化剂包括氧化锡
(SnO)
以及所述第五催化剂包括氧化钨
(WO)。21.
根据权利要求
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