具有等離子體沉積微孔層的有機化學傳感器及其制備和使用方法

專利名稱：具有等離子體沉積微孔層的有機化學傳感器及其制備和使用方法
具有等離子體沉積微孔層的有機化學傳感器及其制備和使
用方法
背景技術：
檢測化學被分析物(尤其是有機化學被分析物)的能力在許多應用(包括環境監 測等等)中是重要的。這種對有機分子的檢測和/或監測尤其可用于(例如)所謂的使用 壽命結束指示器中，該指示器是個人防護設備(例如呼吸器)所需的。
已經開發出許多用于檢測化學被分析物的方法，例如光學、重量分析、微電子機械 等方法。具體而言，已經開發出用于監測電氣性質(例如電容、阻抗、電阻等)的傳感器。這 類傳感器常常依賴于被分析物被吸附到材料上或吸收到其中時材料電氣性質發生的變化。例如，授予Snow等人的美國專利申請公開2006/0249402公開了一種感測裝置，該 感測裝置具有底部電極、底部電極上的電介質、電介質上的納米電極網格和與該網格電接 觸的頂部電極。納米電極可以是碳納米管網。Snow等人將這種裝置描述為在存在化學被分 析物的情況下能夠表現出電容變化。授予Patel等人的美國專利申請公開2006/0237310公開了一種裝置，該裝置被描 述為能夠通過被分析物在化學感測材料中的吸附或吸收，使得電氣性質(如電容、電阻等) 以可被與涂有該化學感測材料的感測電極對相關的電路所檢測的方式發生變化，從而檢測 到多種目標被分析物。授予Stetter和Maclay的美國專利5，512，882公開了一種傳感器，其阻抗在暴露 于所選化學物質的蒸氣時改變。該傳感器包含某種聚合物，該聚合物的物理結構被蒸氣改 變(如通過膨脹或衰變)。該傳感器還具有散布有聚合物的導電元件。可通過阻抗測量電 路來測量變化。授予Sittler的美國專利5，482，678公開了一種傳感器，其包含在存在有機液體、 氣體或蒸氣的情況下膨脹的材料。該材料被涂敷到載體表面，使得該材料膨脹后載體撓曲 并改變兩塊電容器極板之間的距離，從而改變極板之間的電容。授予Plog和Maunz的美國專利5，965，451公開了一種用于選擇性地檢測烴的氣 體傳感器，其具有電容元件和作為電介質的氣體可滲透的敏感層。該敏感層為摻雜貴金屬 的沸石，該沸石具有由原生孔隙構成的規則晶體結構，原生孔隙的直徑接近待檢測的氣體 分子的氣體動力學直徑。

發明內容
申請人:公開了一種適用于檢測或監測環境中(例如大氣環境中)的有機化學被分 析物的感測元件。這種感測元件包含靠近第一電極和第二電極的對被分析物敏感的電介質 材料。在上下文中，對被分析物敏感的電介質材料意指這樣一種材料能夠吸收有機化學被 分析物，并且在將有機被分析物吸收到該材料中時電氣性質能表現出可測量的變化。在一 個實施例中，對被分析物敏感的電介質材料在吸收被分析物時表現出介電常數的變化，使 得感測元件構成電容器并且可觀測到感測元件的電容變化。在一個實施例中，對被分析物敏感的電介質材料為微孔疏水材料，該材料具有無定形無規共價網絡，該無定形無規共價網絡包含至少約30%碳原子，并且具有小于約IOnm 的平均孔尺寸和至少約20%的孔隙度。該材料可以提供下列優點對低含量有機被分析物 敏感度高、對有機被分析物響應迅速以及對水敏感度低。在不受理論或機理限制的情況下， 該材料用作對被分析物敏感的電介質材料時表現出的性能可能是由于任一個或全部下列 若干性質疏水性、最佳孔隙度、涵蓋最佳孔尺寸范圍的微孔的孔體積、以及無定形無規共 價網絡通過等離子體沉積以形成對被分析物敏感的電介質層的能力。在一個方面，本文公開了用于感測有機化學被分析物的傳感器，該傳感器包括感 測元件，感測元件包括第一電極、第二電極和設置為至少靠近第一電極和第二電極的對被 分析物敏感的微孔疏水性電介質材料，其中對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料具有 無定形無規共價網絡，該無定形無規共價網絡包含至少約30%的碳，并且具有小于約IOnm 的平均孔尺寸和至少約20%的孔隙度；和操作電路，操作電路與第一電極和第二電極電氣 連通，其中操作電路能夠向第一電極和第二電極施加電壓并且能夠檢測感測元件的電氣性 質的變化。在一個實施例中，無定形無規共價網絡包含至少約30%的碳，并且還包含硅、氧 和氫。在可供選擇的實施例中，無定形無規共價網絡包含基本上100%的碳。在另一方面，本文公開了用于感測有機化學被分析物的方法，該方法包括提供包 括下列部件的傳感器感測元件，感測元件包括第一電極、第二電極和設置為至少靠近第一 電極和第二電極的對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料，其中對被分析物敏感的微孔 疏水性電介質材料具有無定形無規共價網絡，該無定形無規共價網絡包含至少約30%的 碳，并且具有小于約IOnm的平均孔尺寸和至少約20%的孔隙度；和操作電路，操作電路與 第一電極和第二電極電氣連通，其中操作電路能夠向第一電極和第二電極施加電壓并且能 夠檢測感測元件的電氣性質的變化。將所述感測元件暴露于可能含有一種或多種有機化學 被分析物的環境中；向第一電極和第二電極施加電壓；以及監測感測元件的電氣性質。在 一個實施例中，無定形無規共價網絡包含至少約30%的碳，并且還包含硅、氧和氫。在可供 選擇的實施例中，無定形無規共價網絡包含基本上100 %的碳。在另一方面，本文公開了用于制備有機化學被分析物感測元件的方法，該方法包 括提供具有導電層的基底；由包含有機硅烷、氧和烴類的氣體混合物形成等離子體；將上 面帶有導電層的基底暴露于等離子體，使得在導電層的頂部上形成無定形無規共價網絡 層，該無定形無規共價網絡層包含至少約30%的碳，并且還包含硅、氫和氧；加熱無定形無 規共價網絡以形成具有微孔疏水性無定形無規共價網絡的對被分析物敏感的電介質層，該 無定形無規共價網絡具有小于約IOnm的平均孔尺寸和至少約20%的孔隙度；以及在對被 分析物敏感的電介質層頂部上沉積第二導電層。在又一方面，本文公開了用于制備有機化學被分析物感測元件的方法，該方法包括提供具有第一導電電極和第二導電電極的基底，其中第一導電電極和第二導電電極采 用叉指狀構型且彼此間隔一定距離；由包含有機硅烷、氧和烴類的氣體混合物形成等離子 體；將上面帶有導電電極的基底暴露于等離子體，使得至少在叉指狀電極之間的空間內形 成無定形無規共價網絡層，該無定形無規共價網絡層包含至少約30%的碳，并且還包含硅、 氫和氧；加熱該無定形無規共價網絡以形成具有微孔疏水性無定形無規共價網絡的對被 分析物敏感的電介質層，該無定形無規共價網絡具有小于約IOnm的平均孔尺寸和至少約 20%的孔隙度。
本發明的這些方面和其他方面從以下具體實施方式
中將顯而易見。然而，在任何情況下不應將以上內容理解為是對要求保護的主題的限制，該主題僅受所附權利要求書的 限定，因為其在審查期間可以進行修改。


圖1為采用平行極板構型的示例性感測元件的側視圖。圖2為采用叉指狀構型的示例性感測元件的俯視圖。圖2a為沿圖2中標記為“2a”的線截取的圖2的示例性感測元件的剖視圖。圖3為采用叉指狀構型的示例性感測元件的透視圖。圖4為平行極板構型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露 于多種含量的有機被分析物的時間而變化。在上述多張圖中，相同的附圖標記表明相同的元件。除非另外指明，本文件中所有 附圖均未按比例繪制，并且選擇這些附圖只是為了示出本發明的不同實施例。具體來說，多 種組件的尺寸僅采用說明性術語進行描述，不應從附圖推斷多種組件的尺寸之間的任何關系。
具體實施例方式雖然本公開中可以使用例如“頂部”、“底部”、“上方”、“下方”、“前”、“后”以及“第 一”和“第二”之類的術語，但應當理解，這些術語僅僅是在相對意義上使用。感測元件參照圖1和圖2，本文公開了感測元件1/101，其至少包括對被分析物敏感的電介 質層10/110，該電介質層靠近第一電極20/120和第二電極30/130。下文將依次討論這些 組件及其特征和性質，以及其他任選組件及其特征和性質。這些討論將參考以下兩者進行 圖1，其示出基于平行極板電容器的一般構型的示例性感測元件；圖2、圖2a和圖3，其示出 基于叉指狀電容器的一般構型的示例性感測元件。為了清楚起見，在描繪不同的一般構型 的圖中，對多種組件標以不同的附圖標記(一般來講，以100為單位增加)。然而應當理解， 除非另外說明，多種組件的結構、組合物和性質可以適用于任何電容性設計的感測元件。感測元件1/101被構造為使得對被分析物敏感的電介質層10/110足夠靠近第一 電極20/120和第二電極30/130，以至于該層中包含的對被分析物敏感的電介質材料能夠 與電極建立的電場發生相互作用。在感測元件1/101的操作中，對被分析物敏感的電介質 層10/110在吸收一種或多種被分析物時表現出電氣性質的變化。在一個實施例中，電氣性 質為下述的電容或與電容有關的性質。通過在第一電極20/120和第二電極30/130之間賦 予電荷差(例如在兩個電極之間賦予電壓差)，并監測感測元件為對被分析物的存在做出 響應而發生的性質變化，可測量這種與電容有關的性質的變化。如本文隨后所述，使用操作 電路28/128可完成這種監測。術語“電容”和“與電容有關的性質”涵蓋任何電氣性質及其測定過程，這種測定 過程通常與賦予電荷(無論是靜電荷還是時變電荷)和在賦予電荷期間和/或之后監測電 氣性質相關。這種性質不但包括電容，而且包括阻抗、導納、電阻、電導系數等，并且可以根 據本領域已知的多種方法測量。
對被分析物敏感的電介質層對被分析物敏感的電介質層10/110 (術語“層”在一般意義上使用，并涵蓋任何物 理構型)至少部分地包含對被分析物敏感的電介質材料。在上下文中，術語“對被分析物敏 感的電介質材料”意指這樣一種材料能夠吸收有機化學被分析物，并且在將有機被分析物 吸收到該材料中時在一些電氣性質方面可表現出可測量的變化。
等離子體沉積在一個實施例中，對被分析物敏感的電介質材料具有原子的無定形無規共價網 絡。這種無定形無規共價網絡可通過等離子體沉積形成。在上下文中，“等離子體”意指含 有活性種(如電子、離子、中性分子、自由基、其他激發態原子和分子等)的至少部分離子化 的氣態或液態物質。在多個實施例中，無定形無規共價網絡包含至少約20%、至少約30%或至少約 40%碳原子(這些百分比代表平均數；例如，包含30%碳原子的網絡每100個原子平均有 30個碳原子)。在具體實施例中，無定形無規共價網絡由基本上100%的碳構成(除去(例如)由 于等離子體反應器中存在痕量的其他氣體的情況下的這些痕量其他原子)。通過(例如) 形成碳氫無定形無規共價網絡，然后進行如下所述熱處理，可以制備這種結構。在其他實施例中，無定形無規共價網絡的非碳部分可以包含選自由下列組成的組 的原子硅、氧、氫和/或氮(單獨或組合)。在其他實施例中，無定形無規共價網絡的非碳 部分也可以包含選自鹵素(氟、氯等)的原子。在一個實施例中，無定形無規共價網絡包含硅原子、碳原子、氫原子和氧原子，并 利用下文詳述的方法，由包含硅、碳、氧和氫原子或分子的混合物的等離子體沉積而成。在 具體的實施例中，向等離子體供給有機硅烷、氧和烴類的混合物。這種無定形無規共價網絡通常包括連續基質。本文將這種基質定義為組件(如涂 層、層等)，其中材料的固體部分由共價鍵連續地互連(不論是否存在下文詳細描述的孔隙 度)。也就是說，連續基質與包含粒子聚集體(如沸石、活性炭、碳納米管等)的組件是區別 明顯的。例如，等離子體沉積層或涂層(如無定形無規共價網絡)將包含連續基質，即使涂 層本身是以圖案化方式施加和/或具有微孔。在多個實施例中，可用于等離子體沉積的有機硅烷包括(但不限于)四甲基硅烷、 甲基硅烷、二甲基硅烷、三甲基硅烷、乙基硅烷、正硅酸四乙酯(TEOS)、四甲基環四硅氧烷 (TMCTS)、二硅烷醇甲烷(disilanomethane)、雙(甲基硅烷醇)甲烷(bis (methylsilano) methane)、1，2-二硅烷醇乙烷(1，2-disilanoethane)、1，2-雙(甲基硅烷醇)乙烷(1， 2-bis (methylsilano) ethane)、2, 2_ 二娃燒酉享丙燒(2, 2-disilanopropane)、二乙基娃燒、 二乙基甲基硅烷、丙基硅烷、甲基乙烯基硅烷、二乙烯基二甲基硅烷、1，1，2，2-四甲基二硅 烷、六甲基二硅烷、1，1，2，2，3，3-六甲基三硅烷、1，1，2，3，3-五甲基三硅烷、二甲基二硅烷 IlZi^t (dimethy Idi si lanoethane)、二 甲基二 ；^ 醇丙;^ (dimethy Idi si lanopropane)、 四甲基二硅烷醇乙烷(tetramethyldisilanoethane)、四甲基二硅烷醇丙烷 (tetramethyldisilanopropane)等等，或上述兩種或更多種的組合。在多個實施例中，可用于等離子體沉積的烴類包括(但不限于)直鏈或支鏈烷烴、 烯烴、炔烴以及具有二至十個碳原子的環烴。合適的烴類包括(Cl-ClO)烷烴或(Cl-ClO)炔烴，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、苯、環己烷、甲苯、乙烯、丙烯、乙炔和丁二烯。在一個實施例中，在等離子體產生和沉積過程中采用分子氧(O2)。與提供只作為 更大分子(如包含Si-O基團、C-O基團等的分子)一部分的氧相比，采用分子氧會導致氧 原子以更無規的分布方式存在于整個無定形無規共價網絡中，在前種情況下，氧原子可以 在無定形無規共價網絡中優先靠近Si、C等。任何合適的等離子體反應器都可用來形成本文所述無定形共價網絡薄膜。一種合 適的等離子體反應器設備提供了具有電容耦合系統的反應室，其具有至少一個由射頻(RF) 源供電的電極和至少一個接地電極。一種合適的反應室是易抽空的，并且能夠保持進行等 離子體處理的條件。也就是說，該反應室提供了這樣一種環境，它允許控制(例如)壓力、 多種惰性和反應性氣體的流量、施加到供電電極的電壓、穿過離子鞘的電場強度、含活性種 的等離子體的形成、離子轟擊強度、以及活性種向無定形共價網絡沉積的速率。在一種設備 中，鋁是反應室材料，因為鋁具有較低濺鍍率，這意味著反應室表面會出現很少的污染。然 而，也可以使用其他合適的材料，例如，石墨、銅、玻璃或不銹鋼。為了使用等離子體沉積方法在基底頂部形成無定形無規共價網絡，通常將基底設 置在易抽空的反應室內部或穿過反應室。在一些實施例中，在此沉積過程中多個基底的頂 部上可以同時形成多個無定形共價網絡膜。通過向至少一個電極供電(例如，由0.001至IOOMHz頻率范圍內工作的RF發生器 供電)，可以產生并保持由反應室內的氣體形成的等離子體。電極系統可以對稱或不對稱。 在一些等離子體設備中，接地電極和供電電極之間的電極表面積比率為2 丨至* 丄或 3 1至4 1。供電電極可以用(例如)水冷卻。對于離散平面制品，通過(例如)將制 品設置為直接接觸不對稱電極配置的較小電極，可以實現等離子體沉積。由于供電電極和 制品之間的電容耦合，這樣可以讓制品充當電極。RF電源以在0.01至50MHz、或13. 56MHz、或其任何整數倍(如1、2或3)范圍內的 典型頻率供電。RF電源可以為諸如13. 56MHz振蕩器之類的RF發生器。為了獲得高效的電 耦合(即，其中反射功率為入射功率的一小部分)，可以通過網絡將電源連接到電極，該網 絡用來將電源的阻抗與傳輸線路的阻抗(通常為50歐姆電抗)相匹配，從而通過同軸傳輸 線路高效傳輸RF能。一種類型的匹配網絡(其包括兩個可變電容器和一個感應器)可以 商品名AMN3000得自Plasmatherm (St. Petersburg, FL)。傳統的電耦合方法涉及在供電電 極和電源之間的阻抗匹配網絡內使用隔直流電容器。這種隔直流電容器可以防止直流偏壓 被分流到剩余電路。相反，接地電極內的直流偏壓被分流。雖然RF電源的可接受頻率范圍 可以足夠高，以便在較小電極上形成大的負直流自偏壓，但該頻率范圍不應該如此高，以至 于在所得等離子體內產生駐波，這會造成等離子體處理無效。熱處理/微孔結構在一個實施例中，等離子體沉積的無定形無規共價網絡經熱處理，從網絡中逐出 氫和/或烴類，從而形成微孔結構。在上下文中，“微孔的”意指材料具有大量內部互連的孔 體積，并且平均孔尺寸(用(例如)吸附等溫線方法表征時)小于約lOOnm。因此，有機被 分析物的分子(如果有)能夠滲透材料的內部孔體積，并且留在孔中。這種被分析物在內 部孔中的存在可改變材料的介電性質，使得介電常數(或任何其他合適的電氣性質)的變 化可被觀測。
在不受理論或機理限制的情況下，申請人認為，憑借微孔電介質材料，本發明所公 開的感測元件1/101可以具有感測有機被分析物方面的有利性質在于電介質材料的電氣 性質方面的可測量的變化可能由被分析物分子在孔中的存在所致。因此，在不要求被分析 物分子在電介質材料本身內被充分溶解以引起電介質材料的性質(例如溶脹和/或膨脹) 發生變化(雖然這種現象也可能發生，并且也可能有助于可測量的電氣響應)的情況下，可 能會檢測到被分析物。對被分析物敏感的電介質材料的這種微孔性可能有助于提高電介質 材料對少量有機被分析物的靈敏度。在多個實施例中，對被分析物敏感的電介質材料具有至少約20%、至少約30%、 或至少約40%的孔隙度(如用(例如)吸附等溫線技術表征時，該技術例如使用(例如) 可以商品名 Autosorb 得自 QuantachromeInstruments (Boynton Beach,Florida)的儀器進 行的那些)。這種孔隙度可提供對低含量有機化學被分析物的良好響應。然而，對被分析物 敏感的電介質材料不應當具有這樣大的孔體積，以至于難以避免第一電極20/120和第二 電極30/130之間的電氣短路或電弧放電。因此，在多個實施例中，對被分析物敏感的電介 質材料具 有至多約90 %、至多約70 %、或至多約50 %的孔隙度。再次在不受理論或機制限制的情況下，內部孔的尺寸和分布可以使得至少一些孔 中的至少一些有機被分析物分子可以形成比本來(如，比在監測被分析物的環境下)會有 的凝聚度更高的狀態(如準液態)。這會導致內部孔中收集的被分析物分子具有比在被監 測環境下更大的數量和/或更高的濃度；除此之外或與此相反，這種狀態下的被分析物分 子會表現出比未凝結蒸氣或氣體狀態下更高的介電常數(相對介電常數)。因此，基于對被 分析物敏感的微孔電介質材料(正確選擇了孔尺寸和分布)的感測元件可以顯示具有對少 量有機被分析物優異的靈敏度。在多個實施例中，對被分析物敏感的電介質材料具有小于 約50nm、小于約20nm、小于約IOnm或小于約5nm的平均孔尺寸。在多個實施例中，對被分 析物敏感的電介質材料具有大于約0. 3nm、大于約0. 5nm、或大于約1. Onm的平均孔尺寸。在一個實施例中，對被分析物敏感的電介質材料基本上不含直徑大于1 μ m的孔。具有無定形無規共價網絡的對被分析物敏感的電介質材料可以通過熱處理來形 成上述微孔結構。具體加熱條件可經過選擇，以改進該材料的其他屬性。例如，通過在惰性 (或還原性)氣體環境中和/或低于大氣壓的環境中加熱無定形無規共價網絡，可以形成更 具疏水性的結構。這種疏水材料通常不會吸收足量的液態水，以至于該材料顯著膨脹或以 其他方式表現出物理特性的顯著變化，并且該疏水材料可以用來提供對水的存在相對不敏 感的有機被分析物感測元件。可用來生產合適的對被分析物敏感的疏水性微孔電介質材料 的典型加熱方法包括(例如)將該材料在450攝氏度的真空烘箱內真空加熱一小時。在沉積只包含碳和氫的無定形無規共價網絡(如，由具有烴類的等離子體制成) 的具體情況下，可利用合適的熱處理移除基本上所有氫，以形成具有基本上100%的碳的微 孔材料。對被分析物敏感的電介質層10/110包含等離子體沉積的、對被分析物敏感的微 孔電介質材料，對被分析物敏感的電介質層10/110可以具有任何所需的總體厚度。在多個 實施例中，層10/110具有小于約2000nm或小于約IOOOnm的總體厚度。在其他實施例中， 層10/110具有大于約50nm、大于約IOOnm或大于約200nm的總體厚度。在一個實施例中， 層10/110具有在層的整個長度和寬度上基本上相等的厚度。
在一個實施例中，等離子體沉積的層沉積在導電材料層的頂部上，該導電材料層 適于充當電容感測元件的一個電極(如下文所詳細討論)。在多個實施例中，對被分析物不 敏感的電介質材料的額外的層可以設置為靠近對被分析物敏感的電介質層。提供這種層可 以出于多種原因中的任何者，如，作為保護層、作為粘結層以提高粘接性等等。在另外的實 施例中，等離子體沉積材料可以被圖案化。使該材料形成圖案化的構型的合適的方法包括 (但不限于)在空間上控制材料的沉積條件，以改變材料厚度或密度。例如，可以在沉積源 和基底之間設置掩模，使得沉積材料的厚度在上表面的第一位置和第二位置之間變化。在多個實施例中，可使用多個單獨的對被分析物敏感的電介質材料層。例如，可以 使用多層等離子體沉積的對被分析物敏感的電介質材料。或者，除了等離子體沉積的對被 分析物敏感的電介質材料層之外，還可使用一個或多個對被分析物敏感的某些其他電介質 材料層。對被分析物敏感的電介質材料的各種層可以彼此直接接觸；或者，也可以由用于某 些其他目的的層(如鈍化層、粘結層，如本文所述)隔開。電極參照圖1和圖2，第一電極20/120和第二電極30/130可包含任何合適的導電材 料。可使用不同的材料(導電和/或不導電的材料)的組合作為不同的層或作為混合物， 只要具有足夠的整體導電性(如，電極材料具有小于約10_2歐姆 米的恒定電阻率)。可 用于制備第一電極和/或第二電極的材料的例子包括(但不限于)有機材料、無機材料、金 屬、合金、以及包含任何或全部這些材料的多種混合物和復合材料。在某些實施例中，可以 使用被涂覆的(例如，蒸鍍、濺鍍等)金屬或金屬氧化物或它們的組合。合適的導電材料包 括(例如)鋁、錫、銦錫氧化物、金、銀、鉬、鈀、銅、鎳、鈦、鉻等等。在一個實施例中，兩個電 極都具有相同材料。在可供選擇的實施例中，第一電極和第二電極具有不同材料。在多個實施例中，第一電極和第二電極中的任一者或兩者可被有機被分析物滲 透。就按照如圖1所示的平行極板電容器的一般方式構造的感測元件而言，這種電極滲透 性可以特別有用。在這種情況下，如果第二電極30是可滲透的，則有機被分析物可通過主 表面13進入對被分析物敏感的電介質層10，而不必只能通過邊緣15進入對被分析物敏感 的電介質層10 (其可能是較慢的過程)。同樣，如果第一電極20是可滲透的，則有機被分析 物可以能夠通過主表面11進入對被分析物敏感的電介質層10 (然而，如果背襯40對被分 析物而言為不可滲透的，則以可滲透構型提供第一電極20可能沒有用)。在多個實施例中，電極可由于不連續而為被分析物可滲透的。在上下文中，術語 “不連續的”并不意味著電極包括彼此未電接觸的單元(斑點、島等)。相反，“不連續的”意 指在電極的整個邊界內，一些區域不包含導電材料。這種不連續的電極可以是微觀不連續 的。例如，電極可通過沉積(如涂覆、噴墨印刷等)具有導電材料的粒子(如納米粒子)的 溶膠形成。(典型的溶膠可由銀、金、鉬、鈀或其他金屬材料構成)。在這種情況下，電極可 以含有充分接觸的導電粒子以確保電極具有導電性，但在粒子之間具有足夠的空間以使得 電極對有機被分析物而言為可滲透的。在一些實施例中，加熱(如燒結)導電材料(如，在 約100°C至約250°C的溫度范圍內加熱約10分鐘至約2小時的時間)可以增加粒子之間的 接觸，從而在提高導電性的同時仍保持蒸氣滲透性。在其他實施例中，電極可具有宏觀不連 續的結構。例如，如果導電材料包含蒸鍍金屬(其通常為不可滲透的)，則可以將導電金屬 以圖案(例如，以網格圖案、或以實例1所公開的“梳形”圖案)的方式而不是作為連續層來沉積。參照圖1和圖2，第一電極20/120的電氣可觸及區域25/125和第二電極30/130的電氣可觸及區域35/135被設置為使得可以通過這些區域將操作電路28/128連接到感測 元件。這種電氣可觸及區域可設置在任何方便的位置中。例如，這種電氣可觸及區域在圖 1和圖2的示例性圖中顯示在電極邊緣上，而在圖3的示例性圖中則顯示在電極的主表面 (123和133)上。在一個實施例中，連接裝置(如接觸墊或凸塊)22/122設置為接觸(如連 接到)第一電極20的可觸及區域，使得在感測元件1/101和操作電路28/128之間實現電 氣連接(例如通過附接線材24/124)。相似地，可以設置為同樣與第二電極30的可觸及區 域接觸的連接裝置32/132。示例件感測元件及制備方法平行極板構型在一個實施例中，可制備按平行極板電容器的一般方式(如圖1的剖視圖中的示 例方式所示)構造的感測元件1。在這種構型中，感測元件具有兩個大致為平面的、平行的、 相對的電極，對被分析物敏感的電介質層存在于兩個電極之間并且防止兩個電極之間直接 電接觸。在制備這種感測元件的示例性方法中，提供了背襯40(其可以為材料的連續塊、 層或膜)，其靠近電極中的至少一個，并且可以起到為成品感測元件提供物理強度和完整性 的作用。可以使用任何合適的材料，包括玻璃、陶瓷、塑料等。在大規模生產過程中，可以 使用聚合物膜(例如聚酯、聚酰亞胺等)。在一些實施例中，背襯為被分析物可滲透的材料 (例如，硅橡膠、多孔薄膜等)。在一個實施例中，在背襯40上設置了充當第一電極20的導電層。該導電層可以包 含上述材料中的任何材料，包括導電材料和不導電材料的共混物或混合物，并且可以通過 任何合適的方法沉積，包括(但不限于)旋涂、浸涂、溶液模具涂布、網版印刷、轉涂、濺鍍、 物理氣相沉積、化學氣相沉積、或這些方法中的兩種或更多種的組合。在替代實施例中，可 以通過在背襯40頂部上設置預制膜(如金屬箔、導電膠帶等)來形成導電層。如上所述， 該第一電極20可以作為連續層或不連續層提供。在一個實施例中，導電層被設置為使得電極20的第一表面21靠近和/或接觸背 襯40的第一表面41的至少一部分。在可供選擇的實施例中，在電極20的第一表面21的 至少一部分與背襯40的第一表面41之間存在任選層。只要不妨礙感測元件1的功能，則 這種任選層可以用于任何目的(例如增強第一電極20與背襯40之間的粘結)。在制備感測元件1的過程中，也提供對被分析物敏感的電介質層10。在一個實施 例中，對被分析物敏感的電介質層10被設置為使得層10的第一主表面11直接接觸第一電 極20的第二表面23的至少一部分(保持第一電極20的至少一部分可觸及，以用于連接到 操作電路)。在一個實施例中，通過諸如上文詳細描述的等離子體沉積法將對被分析物敏感的 電介質材料設置在靠近第一電極處。在這種情況下，基底和第一電極(對被分析物敏感的 電介質材料設置在其上)應當使得其能夠耐受施加等離子體的條件。在另一個實施例中，將對被分析物敏感的電介質材料等離子體沉積到載體基底 上，然后再將載體基底設置在第一電極頂部上，通過這種方法可以形成對被分析物敏感的電介質層。在可供選擇的實施例中，可以將對被分析物敏感的電介質材料等離子體沉積到 臨時載體上，隨后可以將對被分析物敏感的電介質材料從載體上移除并成型為粉末，然后 再將粉末沉積到第一電極上。在多個實施例中，可通過將第二導電層設置為靠近對被分析物敏感的電介質層10 來形成第二電極30。第二電極30可以包含上述導電材料，并且可以根據上述方法沉積。在 某些實施例中(特別是在背襯40對被分析物而言為不可滲透的情況下)，第二電極30可以 包括不連續結構(同樣如此前所述)，以便對有機被分析物而言為可被滲透的。參照圖1，任選護蓋層或阻擋層50可被設置為靠近電極中的至少一個。在一個實 施例中，覆蓋層50設置在第二電極30的頂部上(保持第二電極30的某個區域可觸及，以 用于電接觸)。任何這種覆蓋層50都不應顯著妨礙感測元件1的功能。例如，如果感測元 件被構造為使得所關注的被分析物必須穿過覆蓋層50以便到達對被分析物敏感的電介質 層10，則該覆蓋層應當對被分析物而言為可充分滲透的。覆蓋層50可通過本領域已知的任何方法沉積，包括涂布(如旋涂、浸涂、溶劑涂 布、蒸鍍、轉涂、網版印刷、柔性版印刷等等)。在替代實施例中，覆蓋層50可包括設置在第 二電極30上的預制層(如膜或帶)。在一個實施例中，覆蓋層50被設置為使得覆蓋層50 的第一表面51直接接觸第二電極30的第二表面33的至少一部分。覆蓋層的第二表面可 以為感測元件的最外表面，或(如果需要)其本身可以接納額外的涂層或層。在一個實施例中，對被分析物敏感的電介質層經過熱處理(例如，暴露于450°C的 溫度下1小時)，從而在上述方法的任何合適點增加無定形無規共價網絡的孔隙度和/或 增強疏水性。例如，可以對基底/第一電極/對被分析物敏感的電介質層組合物進行熱處 理，隨后再形成第二電極(以及任何可選覆蓋層)。或者，可以形成整個基底/第一電極/ 對被分析物敏感的電介質層/第二電極組合物，然后再進行熱處理。熱處理過程中存在的 任何部件(如基底、電極、任選粘結層、任選覆蓋層、電連接裝置等)必須經過選擇，以便能 夠耐受熱處理，并且仍能執行其在感測元件內的所需功能。在一個實施例中，第一電極20的第二表面23以及對被分析物敏感的電介質層10 的第一主表面11直接接觸，兩者間沒有插入層。同樣，在一個實施例中，第二電極30的第 一表面31與對被分析物敏感的電介質層10的第二主表面13直接接觸，兩者間沒有插入 層。圖1描繪了這種實施例。然而，也可以設想的是，第一電極20與對被分析物敏感的電介 質層10之間、和/或第二電極30與對被分析物敏感的電介質層10之間可以存在其他任選 層。在這種情況下，電極中的任一者或兩者可以不直接接觸對被分析物敏感的電介質材料 的表面中的一些或全部。例如，可以用粘結層提高電極與對被分析物敏感的電介質層之間 的粘結性。或可以在對被分析物敏感的電介質層的表面和電極的表面之間設置鈍化層(例 如二氧化硅層)，以便使電極之間的電弧放電的可能性最小化。在一些實施例中，可以使用 多個這種任選層；或者單個層可以具有多種功能。只要它們不會顯著妨礙感測元件的所需 功能，就可以將任何這類任選層(例如上述粘結層、鈍化層、保護層、覆蓋層等)用于任何目 的。例如，如果感測元件被構造為使得所關注的被分析物必須穿過任選層以便到達對被分 析物敏感的電介質層10，則該任選層應當對該被分析物而言為可充分滲透的。通常，多種層的邊緣可彼此齊平對齊(如圖1的示例性實施例所示)。或者，多種 層可以與其他層重疊、和/或某些層的邊緣可以相對于其他層凹陷。
在將對被分析物敏感的電介質材料沉積在第一電極20的頂部上的過程中，應當 在第一電極20上設置電氣可觸及區域25，以使電極和操作電路之間能夠電接觸。相似地， 如果將覆蓋層置于第二電極30的頂部上，則應當相似地設置電氣可觸及區域35。這種電氣 可觸及區域可設置在任何方便的位置中。在一個實施例中，可以設置與第一電極20的可觸 及區域25電接觸的連接裝置(如接觸墊、凸塊等)22。相似地，可以設置同樣與第二電極 30的可觸及區域35接觸的連接裝置32。叉指狀構型在另一個實施例中，可制備按照叉指狀電容器的一般方式構造的感測元件。圖2 的俯視圖、圖2a的剖視圖(沿圖2的線“2a”截取)和圖3的透視圖示出了叉指狀感測元 件的示例性實施例。在上下文中，術語“叉指狀”涵蓋了以叉指狀構型存在的包括至少兩個 電極的任何布置方式。這種構型包括叉指狀梳形圖案(例如圖2、圖2a和圖3所示)，以及 本領域熟知的叉指狀螺旋型或螺線型圖案。所有這些設計都具有共同的特點即在大體上 共面的叉指狀布置方式中存在(至少)兩個電極，并且在電極附近存在對被分析物敏感的 電介質層，使得當電極之間建立電場時，該層中包含的對被分析物敏感的電介質材料能夠 與電場相互作用。對被分析物敏感的電介質層/材料可以設置在電極之間(即在兩電極所 處的平面內，并且插入靠近第一電極和第二電極的任何兩個最近點之間的線性通道內)。或 者，對被分析物敏感的電介質層/材料可以設置為使得雖然不與電極共面，但對被分析物 敏感的電介質材料至少暴露于兩個電極的相鄰的部分之間建立的邊緣電場中。在又一個替 代實施例中，對被分析物敏感的電介質層可以同時設置在這兩個位置中。利用熟知的圖案化沉積材料的任何方法(如掩模氣相沉積、網版印刷、噴墨印刷) 將導電材料沉積為兩個叉指圖案，即可形成叉指狀電極。可以根據需要設計電極圖案的具 體幾何/尺寸性質(間距、高度、長度等)。在一個實施例中，叉指狀電極設置在可以由上述材料構成的背襯140上。第一電 極120和第二電極130通常設置在相同背襯140上。在一個實施例(圖2、圖2a和圖3所 示)中，第一電極120的第一表面121、以及第二電極130的第一表面131均直接接觸背襯 140的第一表面141的至少某個部分。在可供選擇的實施例中(未描繪)，電極120和/或 130與背襯140之間可存在任選層，該任選層類似于上述任選層，并且受到相同的問題和約 束ο如圖2、圖2a和圖3的示例性實施例所示，第一電極120和第二電極130的圖案化 沉積可以讓背襯140的表面141 (或其上的任何任選層的表面)的某個區域暴露在外。接 著，利用類似上文參照平行極板型感測元件所述的方法，可以將對被分析物敏感的電介質 層等離子體沉積到背襯140上。(同樣，基底和/或電極的選擇和設計應使得其可以耐受等 離子體沉積方法。)所沉積的對被分析物敏感的電介質材料因而將充滿兩個電極之間的空 間(如圖2、圖2a和圖3所示空間117)。因此，在該實施例中，對被分析物敏感的電介質層 110的第一表面111將直接接觸背襯140的表面141的至少一部分。如圖2a和圖3所示， 該沉積方法也可以引起對被分析物敏感的電介質層110覆蓋、并接觸第一電極的第二表面 123以及第二電極的第二表面133(除非有選擇地進行沉積，如將電極中的一個或兩個均掩 蓋)。因此，在多個實施例中，對被分析物敏感的電介質層110的第一表面111直接接觸第 一電極120的第二表面123、和/或第二電極130的第二表面133。
在可供選擇的實施例中，任選層(圖2、圖2a或圖3中未示出)可以設置在第一電 極120的第二表面123的頂部上、和/或第一電極130的第二表面133的頂部上。在該實 施例中，對被分析物敏感的電介質層110的第一表面111與第一電極120的第二表面123 之間、和/或與第二電極130的第二表面133之間可以不進行直接接觸。這種任選層可以 起到與之前描述類似的作用(保護等)。然而，在叉指型感測元件中，一個或兩個電極的頂 部上的任選層可以不必對被分析物而言為可滲透的，因為被分析物可以不必通過滲透任選 層到達對被分析物敏感的電介質層110的區域117。在一個實施例中，可以將任選覆蓋層150(其可以充當保護層、絕緣層、裝飾層等) 沉積在對被分析物敏感的電介質層Iio的第二表面113的頂部上。任何這類覆蓋層都不應 顯著妨礙感測元件的功能(如，它對關注的被分析物而言應當為可充分滲透的)。該覆蓋層 可以具有通過任何已知的涂布方法(如旋涂、浸涂、溶劑涂布、蒸鍍、轉涂、網版印刷、柔性 版印刷等)沉積的涂層。在替代實施例中，覆蓋層150可以包括設置在層110的第二表面 113頂部上的預制層(如膜或帶)。在一個實施例中，對被分析物敏感的電介質層經過熱處理，從而增加無定形無規 共價網絡的孔隙度和/或增強疏水性。熱處理過程中存在的任何部件(如基底、電極、任選 粘結層、任選覆蓋層、電連接裝置等)必須經過選擇，以便能夠耐受熱處理，并且仍能執行 其在感測元件內的所需功能。
在沉積對被分析物敏感的電介質材料(以及任何任選覆蓋層)時，應當在第一電 極120上設置電氣可觸及區域125、以及在第二電極130上設置可觸及區域135，以允許每 一個電極和操作電路之間進行電接觸。這種電氣可觸及區域可設置在任何方便的位置中。 例如，這種電氣可觸及區域125和135在圖2的示例性說明中被示出位于電極的邊緣上，而 在圖3的示例性例證中被示出位于電極的表面123和133上。在一個實施例中，可以設置與第一電極120的可觸及區域125電接觸的連接裝置 (如接觸墊、凸塊等)122。相似地，可以設置同樣與第二電極130的可觸及區域135接觸的 連接裝置132。操作電路對被分析物敏感的電介質層吸收足夠的被分析物時，與感測元件相關的電氣性質 (包括(但不限于)電容、阻抗、導納、電流、或電阻)可以發生可檢測的變化。這種可檢測 的變化可以被與第一電極和第二電極電氣連通的操作電路28/128檢測到。在上下文中，“操 作電路”通常是指可用于向第一電極和第二電極施加電壓(從而向電極賦予電荷差)和/ 或監測感測元件的電氣性質的電氣設備，其中電氣性質可以響應有機被分析物的存在而發 生變化。在多個實施例中，操作電路可以監測下列任何一種性質或其組合電感、電容、電 壓、電阻、電導系數、電流、阻抗、相位角、功耗因子、或耗散。這種操作電路可以包括單個設備，該設備既向電極施加電壓、又監測電氣性質。在 可供選擇的實施例中，這種操作電路可以包括兩個單獨的設備一個提供電壓、另一個監 測信號。操作電路可以通過線材24/124和34/134連接到第一電極20/120和第二電極 30/130。在可供選擇的實施例中，操作電路可以設置為直接接觸第一電極和/或第二電極， 這種接觸既可以通過連接裝置22/122和32/132來完成，也可以通過將操作電路的某個部 分直接接觸每一個電極的電氣可觸及區域來完成。例如，操作電路可設置為駐留在電路板或柔性電路(其中的任一者可充當背襯40/140)上。然后可將第一電極直接沉積到電路板 /背襯40上，使得它直接接觸操作電路的一部分。操作電路28/128可以包括(例如)電源(電源可以包括電池或硬連線的電源； 作為另外一種選擇，也可以通過(例如)向工作電路中內置的RFID電路的充電間接提供 電源)。操作電路28/128也可以包括一個或多個微處理器，其被構造用于控制電極的充電 和/或監測被充電的感測電極對的一個或多個電氣性質的變化。另外提供的有模數轉換 器、用于保存來自感測元件的數據的存儲裝置、用于操作感測元件的軟件、提供數據記錄和 /或單向或雙向遙測功能的元件等。被分析物感測元件(例如本文所公開的)可用于檢測和/或監測(不論是定性地還是定 量地)有機被分析物的存在。這種被分析物可包括(但不限于)烴類、碳氟化合物、烷烴 類、環烷類、芳族化合物、醇類、醚類、酯類、酮類、商代烴類、胺類、有機酸類、氰酸鹽類、硝酸 鹽類以及腈類，例如正辛烷、環己烷、甲基乙基酮、丙酮、乙酸乙酯、二硫化碳、四氯化碳、苯、 苯乙烯、甲苯、二甲苯類、甲基氯仿、四氫呋喃、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、叔丁醇、2-乙氧 基乙醇、乙酸、2-氨基吡啶、乙二醇單甲醚、甲苯-2，4-二異氰酸酯、硝基甲烷和乙腈等。被 分析物可為相對非極性有機分子或相對極性有機分子。被分析物可為所謂的蒸氣，即在被 分析物(如甲苯、丙酮、庚烷等)所經歷的溫度和壓力環境條件下能夠形成固體或液體的 分子。被分析物可為所謂的氣體，即在環境條件下通常不能形成液體或固體的分子(但如 上所述，這種分子在對被分析物敏感的電介質材料的內部孔中仍可以具有凝聚度更高的狀 態)。這種氣體可以包括甲烷、乙烷等等。在一些情況下，可以檢測到有機被分析物分子的 混合物。本發明可以通過下列實例進一步說明。SM等離子體反應器利用平面射頻(RF)等離子體系統沉積無定形無規共價網絡層。該系統由干泵 站(羅茨泵EH1200，Edwards ；以及iQDP80干式機械泵，Edwards)提供支持的渦輪分子泵 (TPH2000型，Balzers)抽吸。氣體流量由數字流量控制器(MKS Corporation)控制。利用 在AMN3000型阻抗匹配網絡(得自Plasmatherm(St. Petersburg, FL))內工作的RF50S型 電源(得自 RF Power Products (Voorhees, NJ))傳輸 RF 能。制備樣品1使用以1. 3mPa(l X IO"5 托)的基底壓力操作的 CHA IndustriesMark-50 蒸 發器和No. A-2049鋁丸(純度99. 995 %，6 X 6mm,得自CeracInc.)在潔凈的玻璃片 (2. 5cmX2. 5cm)上涂布連續的(未圖案化的)鋁涂層。以大約15埃/秒的速率沉積鋁涂 層。最終厚度為約lOOnm。用金剛石筆在距離該鍍鋁玻璃一側邊緣約5mm處劃線，使得形成 兩個彼此不電接觸的鋁涂層區域。較大的區域由此形成第一電極，較小的(邊緣)區域由 此形成可以與(隨后施加的)第二電極電接觸的區域，如下所述。用膠帶將劃線后的鍍鋁 玻璃片粘貼成5cmX5cm的玻璃片，以便于處理。在較小的鍍鋁區域的邊緣部分的頂部上設 置掩模材料。同樣在較大的鍍鋁區域的邊緣部分的頂部上設置掩模材料。將玻璃片安裝到上述等離子體反應器系統中的平面電極上(用聚酰亞胺膠帶粘貼)。將反應室關閉并抽吸至壓強約0.07Pa。將包含四甲基硅烷、1，3-丁二烯和氧的氣體 混合物以下列流速送入真空室。將等離子體保持在下述條件下四甲基硅烷流速 100sCCm(標準立方厘米/分鐘)1，3-丁二烯流速 160sccm氧氣流速IOOsccm工作壓強4.9Pa(37毫托)Rf功率75瓦特沉積時間14分鐘該方法產生具有無定形無規共價網絡材料的厚約0. 77 μ m的層。接著從樣品上移 除掩模材料。然后，將該樣品在大約450°C的抽空的真空烘箱內熱處理1小時。將圖案化的第二電極在等離子體沉積材料的頂部上噴墨印刷，以完成該樣品的構 造。為了噴墨印刷第二電極，在Adobe Photoshop中創建了位像(17. 8m(702點/英 寸))，然后下載到XY沉積系統。用于沉積銀的印刷頭為具有IOpL的液滴體積、128個噴嘴 /孔的Dimatix SX3-128印刷頭，印刷頭組件長度大約為6. 5cm,噴嘴間距為508微米。用 于構造該電極的銀納米粒子溶膠可以商品名AG-ID-G-100-S1購自Cabot。在噴墨印刷過 程中使用多孔鋁真空臺板將樣品固定。完成印刷時，將樣品從多孔鋁真空臺板上移除，并在 125°C下置于Thermolyne熱板上10分鐘。噴墨印刷銀電極包括由具有從一邊伸出的細紋的實心矩形組成的梳形圖案。印 刷電極的矩形部分被布置為使得該矩形的一部分位于較小的鍍鋁區域的一部分的頂部上 (使得通過將導線附接到該較小的鍍鋁區域上，可以實現與頂部電極的電接觸)，第二印刷 電極的其余部分位于等離子體沉積材料的頂部上。電極上的細紋設計成長度大約為8. 3mm、 寬度大約為250微米。細紋之間的間隙設計成大約250微米。(應該指出的是，所有這些尺 寸均為位像的標稱尺寸，而不是實際“印刷的”尺寸。)該工序在玻璃背襯層上提供了包含連續鋁的第一電極。鋁電極的頂部上為包含等 離子體沉積材料的對被分析物敏感的電介質層，包括梳形圖案銀層的第二電極位于等離子 體沉積層的頂部上。測試樣品1使用簡單的定制構建的直通遞送體系將已知濃度的丙酮遞送至樣品以進行測量。 遞送體系整體采用特氟隆管子。將氮氣噴入含有液態丙酮的容器內并保持恒溫，以形成含 有飽和丙酮的氮氣流。利用得自FisherScientific的制冷機使液態丙酮保持恒溫，并按 照 Handbook of VaporPressure (蒸氣壓力手冊)(Yaws, C. I. Gulf Publishing :Houston, 1994)計算為了產生飽和丙酮氣流而使該制冷機保持的溫度。通過使用一系列質量流 量控制器，用額外的氮氣將此飽和丙酮氣流稀釋。使用紅外光譜儀(可以商品名Miran Sapphire得自ThermoElectron(Waltham，MA))校準氣流中丙酮的濃度。將丙酮氣流通入 含有樣品1的樣品箱(保持受控溫度)。利用鱷魚夾將樣品的第一電極和第二電極連接到 包括LCR測量儀(可以商品名Instek Model 821 LCR測量儀得自Instek America, Corp. (Chino, CA))的操作電路。在整個蒸氣測試期間，按特定時間間隔以1千赫的頻率監測樣 品電容(以皮法拉計)的變化(如圖4所示)。首先將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在環境條件下(室內空氣中)的初始電容。然后從O時點開始將樣品暴露于干燥的氮氣(相對濕度大約8%，20°C)中。然 后將試驗箱密封，將含大約200ppm丙酮的氮氣流引入試驗箱中并保持第一時期。隨后將 樣品暴露于含有大約370ppm丙酮的干燥氮氣流中一段時間。然后將試驗箱返回到干燥氮 氣環境中。隨后，將樣品依次暴露于大約90ppm的丙酮、大約90ppm的丙酮(再次)和大約 50ppm的丙酮中，并且在這些暴露之間，將樣品暴露于不含丙酮的干燥氮氣流中。在暴露于 大約50ppm的丙酮中之后，將樣品暴露于大約730ppm的丙酮中，隨后再次將樣品暴露于不 含丙酮的干燥氮氣流中。
本文描述了本發明的多個實施例。然而應當理解，在不脫離本發明的情況下可以 作出多種修改。因此，其他的實施例在以下權利要求書的范圍內。
權利要求
一種用于感測有機化學被分析物的傳感器，包括感測元件，所述感測元件包括第一電極、第二電極和對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料，所述對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料設置在至少靠近所述第一電極和第二電極處，其中所述對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料具有無定形無規共價網絡，所述無定形無規共價網絡包含至少約30％的碳，并且具有小于約10nm的平均孔尺寸和至少約20％的孔隙度；以及操作電路，所述操作電路與所述第一電極和第二電極電氣連通，其中所述操作電路能夠向所述第一電極和第二電極施加電壓，并且能夠檢測所述感測元件的電氣性質的變化。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述無定形無規共價網絡還包含硅、氧和氫。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述無定形無規共價網絡包含基本上100%的碳。
4.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述無定形無規共價網絡具有至少約30%的孔隙度。
5.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述電極中的至少一個可滲透有機化學被分析物。
6.根據權利要求5所述的傳感器，其中所述可滲透的電極具有不連續的導電材料層。
7.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述感測元件具有平行極板電容器構型。
8.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述感測元件具有叉指狀電容器構型。
9.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述感測元件具有靠近至少一個所述電極的覆 蓋層，所述覆蓋層可滲透有機化學被分析物。
10.一種制備有機化學被分析物感測元件的方法，包括 提供具有導電層的基底；由包含有機硅烷、氧和烴類的氣體混合物形成等離子體；將上面帶有導電層的基底暴露于所述等離子體，使得在所述導電層的頂部上形成無定 形無規共價網絡層，所述無定形無規共價網絡層包含至少約30%的碳，并且還包含硅、氫和 氧；加熱所述無定形無規共價網絡以形成對被分析物敏感的電介質層，所述對被分析物敏 感的電介質層具有微孔疏水性無定形無規共價網絡，所述微孔疏水性無定形無規共價網絡 具有小于約lOnm的平均孔尺寸和至少約20%的孔隙度；以及 在所述對被分析物敏感的電介質層的頂部上沉積第二導電層。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述對被分析物敏感的電介質層具有至少約 30%的孔隙度。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述第二導電層可滲透所關注的有機化學被分 析物。
13.一種制備有機化學被分析物感測元件的方法，包括提供具有第一導電電極和第二導電電極的基底，所述第一導電電極和所述第二導電電 極具有叉指狀構型，并且彼此隔開；由包含有機硅烷、氧和烴類的氣體混合物形成等離子體；將上面帶有導電電極的所述基底暴露于所述等離子體，使得至少在所述叉指狀電極之間的空間內形成無定形無規共價網絡層，所述無定形無規共價網絡層包含至少約30%的 碳，并且還包含硅、氫和氧；加熱所述無定形無規共價網絡以形成對被分析物敏感的電介質層，所述對被分析物敏 感的電介質層具有微孔疏水性無定形無規共價網絡，所述微孔疏水性無定形無規共價網絡 具有小于約lOnm的平均孔尺寸和至少約20%的孔隙度。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述對被分析物敏感的電介質層具有至少約 30%的孔隙度。
15.感測元件，所述感測元件包括第一電極、第二電極和對被分析物敏感的微孔疏水性電 介質材料，所述對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料設置在至少靠近所述第一電極和 所述第二電極處，其中所述對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料具有無定形無規共價 網絡，所述無定形無規共價網絡包含至少約30%的碳，并且具有小于約lOnm的平均孔尺寸 和至少約20%的孔隙度；以及操作電路，所述操作電路與所述第一電極和第二電極電氣連通，其中所述操作電路能 夠向所述第一電極和第二電極施加電壓，并且能夠檢測所述感測元件的電氣性質的變化； 將所述感測元件暴露于可能含有一種或多種有機化學被分析物的環境中； 向所述第一電極和第二電極施加電壓；以及 監測所述感測元件的電氣性質。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述無定形無規共價網絡還包含硅、氧和氫。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述無定形無規共價網絡包含基本上100%的碳。
18.根據權利要求15所述的方法，其中所述對被分析物敏感的電介質層具有至少約 30%的孔隙度。
19.根據權利要求15所述的方法，其中所述感測元件包括電容器，并且其中所述被監 測的電氣性質為所述感測元件的電容性質。
20.根據權利要求15所述的方法，其中所述被監測的性質為所述感測元件的所述電容。
全文摘要
本發明公開了用于感測有機化學被分析物的感測元件，所述感測元件包括第一電極、第二電極和設置為至少靠近所述第一電極和第二電極的對被分析物敏感的微孔疏水性電介質材料。所述對被分析物敏感的電介質材料可以為具有小于約10nm的平均孔尺寸和至少約20％的孔隙度的無定形無規共價網絡。所述感測元件的電氣性質(例如電容)可被監測，以感測有機化學被分析物。
文檔編號G01N27/26GK101836108SQ200880112371
公開日2010年9月15日 申請日期2008年9月30日 優先權日2007年10月5日
發明者尼爾·A·拉科, 摩西·M·戴維, 斯特凡·H·格里斯卡, 納爾遜·B·小奧布賴恩, 邁克爾·S·文德蘭 申請人:3M創新有限公司