[发明专利]气敏器件

说明书

本公开的各实施例涉及气敏器件。公开了一种气敏器件(10)。该气敏器件包括衬底结构(20)和气敏电容器，该气敏电容器包括在绝缘层(30)的第一主表面区域上呈气敏层(45)形式的第一电容器电极(40)以及在绝缘层(30)下方呈埋入导电区域形式的第二电容器电极(60)，使得绝缘层(30)布置在第一电容器电极(40)与第二电容器电极(60)之间；其中气敏层(45)包括响应于气体分子的吸附或解吸而变化的薄层阻抗。还描述了一种用于操作气敏器件(10)的方法。此外，公开了一种包括一个或多个气敏器件的多气体传感器。

技术领域

本公开总体上涉及气敏器件和用于操作气敏器件的方法。本公开特别涉及多气体传感器。

背景技术

环境大气中的环境参数(例如，气体浓度)的检测对于在移动设备内实现适当传感器以及在诸如在智能家居等的家庭自动化中以及例如在汽车领域中应用适当传感器变得越来越重要。然而，随着气体传感器的日益广泛使用，也存在对能够监测环境大气的质量的特别需求，即，使用移动设备确定空气质量。这样的空气质量监测过程应当以低成本并且具有成本效益的方式实现。更具体地，为了获取最佳效率，整个气体传感器应当充当活动气体感测区域。气敏器件提供的面积越大，其敏感性和效率就越高。通常，石墨烯区域用于监测环境空气质量。

移动设备(智能电话等)发展的一个持续趋势是实现越来越多的附加特征。备受期待的后续步骤之一将是集成能够测量空气质量和/或检测和警报有毒空气污染的气体传感器。因此，需要具有小尺寸和非常低的功耗的“简单的”低成本传感器设备。

活动传感器层的沉积是由用于功能化的墨水、石墨烯薄片以及例如纳米颗粒组成的溶剂的印刷过程。在干燥过程中，流体墨滴在传感器区域的边缘处形成所谓的咖啡环(coffee-ring)。结果是传感器边缘处的传感器层较厚。在电阻测量期间，电流位于传感器边缘处，而不是均匀分布在整个传感器区域之上。因此，只有“咖啡环”的小电流路径对敏感性有贡献，而不是整个传感器区域。

因此，这两种效应减少了整个气体传感器区域的使用。首先，电极之间的局部聚集的石墨烯薄片导致可用于电阻测量的面积减少。由于印刷在衬底区域之上的电极之间的聚集的石墨烯薄片，通常仅在几个电极之间产生电导。其次，在衬底的顶表面上产生电极的制造过程中，产生咖啡渍(coffee stain)。咖啡渍会导致传入金属线之间的周围短路，因此仅在外部传感器边缘处产生电导。这两种效应都会抑制整个传感区域的使用，并且降低传感器的效率。

一个既定的概念是由位于叉指结构之上的石墨烯薄片和功能性纳米颗粒组成的印刷或分配的活动传感器层(如图9b所示)。气体分子的吸附或解吸通过器件的电阻的变化来反映。

除了占主导地位的咖啡环效应，叉指结构的金属线会导致两个金属指状物之间的墨水成分的积累和结块。在这种情况下，也只有一小部分区域定义了敏感性，而不是整个传感器区域。

因此，常规的气体测量方法是测量叉指结构的电极之间的气敏层的电阻变化。这种方法有两个缺点：

1.原则上叉指结构存在固有问题。叉指结构在整个活动区域上形成并联电路。这表示，如果两个金属指状物之间存在具有较高电导率的任何颗粒或块，这将决定整个传感器区域的电阻。

2.另一问题是咖啡环效应，通常针对敏感层的印刷过程。这导致导电路径围绕传感器区域。

这两种效应都避免使用整个传感器区域，因为在两个金属指状物之间具有较高电导率或在传感器边缘上具有较高沉积的任何颗粒或块都将决定整个传感器区域的电阻。

通常，本领域需要一种用于实现改进的气敏器件和改进的多气体传感器的方法以及一种操作气敏器件的方法，其独立于局部聚集的石墨烯薄片和/或咖啡渍。

独立权利要求的主题可以解决这种需要。从属权利要求中给出了用于提供用于多气体传感器的改进的气敏器件的本概念(方法和装置)的另外的具体实现。还公开了一种操作气敏器件的方法。

发明内容