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TWI678531B - 用於偵測氣體試劑之感測器及其製備方法 - Google Patents

用於偵測氣體試劑之感測器及其製備方法 Download PDF

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TWI678531B
TWI678531B TW104142173A TW104142173A TWI678531B TW I678531 B TWI678531 B TW I678531B TW 104142173 A TW104142173 A TW 104142173A TW 104142173 A TW104142173 A TW 104142173A TW I678531 B TWI678531 B TW I678531B
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雷狄史端夫 亞力山左維奇 普塔雷洛
Radislav Alexandrovich Potyrailo
澤雄 譚
Zhexiong Tang
布萊登 艾倫 巴爾特林
Bradon Alan Bartling
那迪尼 那格拉傑
Nandini Nagraj
法迪姆 布羅伯格
Vadim Bromberg
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美商奇異電器公司
General Electric Company
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Abstract

本發明描述一種用於偵測氣體試劑之感測器，其具有換能器，該換能器包括形成天線之電諧振電路。該感測器進一步包括安置於該換能器之至少一部分上的感測材料。該感測材料經組態以在氣體試劑的存在下同時展現電容回應及電阻回應。該感測器可為可逆的、無電池的且可要求與感測器讀取器無電接觸。

Description

用於偵測氣體試劑之感測器及其製備方法
本發明之實施例係關於用於偵測氣體試劑之感測器及方法，且更特定而言係關於用於偵測二氧化氯、過氧化氫、甲醛、過氧乙酸、溴化甲烷、環氧乙烷、臭氧及可用作滅菌、薰蒸或去污試劑之其他氣體試劑之材料與感測器。
舉例而言，不同環境之去污、薰蒸及滅菌對於包括保健、食品安全及動物安全之不同範圍的應用係關鍵性的。出於滅菌、薰蒸及去污之目的可使用多種氣體，其包括(但不限於)二氧化氯、甲醛、過氧化氫蒸氣、過氧乙酸、溴化甲烷、臭氧及環氧乙烷。已知此等氣體以及其他氣體對抵抗產孢子及不產孢子細菌兩者係有效的。
用於去污、薰蒸及滅菌之氣體試劑之偵測對於總體安全係關鍵性的。有益的係測定滅菌試劑之存在以確保既定試劑充分執行且正經滅菌之表面或材料不含有害污染物。舉例而言，藉由辨別感測器內或周圍之某些環境變數的改變來量測蒸氣之存在可特別適用於以下各者：監控生物醫藥產品、食品或飲料的變化；監控用於化學或物理性危害之工業區域；安全應用，諸如住房監控或機場中之國土安全；不同環境及臨床設定；及其中某些有害及/或有毒蒸氣之偵測可為特別有用的其他公共場所。儘管當前感測器提供多種多樣之無電池且無線的感測器，但對於要求與感測器讀取器無電接觸之可逆的無電池感測 器存在商業需求。此外，希望具有能夠對環境參數之改變展現多個回應之感測器以消除感測器陣列。
由半導體金屬氧化物在暴露於蒸氣時提供之電阻改變(例如)向上或向下變化。傳統上，利用包括用於功能及準確監控之多個感測器的感測器陣列。諸多感測器陣列包括塗佈有不同感測材料之多個相同換能器。然而，儘管使用相同換能器簡化感測器陣列之製造，但此陣列可能具有有限的用於感測僅單一回應(例如，電阻、電流、電容、功函數、質量、光學厚度、光強度等)之能力。在某些應用中，可能出現多個回應或多種特性之變化。在此等應用中，可能有益的為包括感測器陣列，其中該陣列中之不同換能器採用相同或不同回應(例如，電阻、電流、電容、功函數、質量、光學厚度、光強度等)且塗佈有不同感測材料以使得可量測一種以上特性。然而，不利地，製造具有經唯一地製造以感測特定回應之個別感測器的感測器陣列使陣列之製造複雜化且係不經濟的。因此，需要一種單一感測器，其包含可在分析物存在時同時展現一個以上回應的感測材料。
本文中所揭示之各種實施例可解決上文闡述之挑戰中之一或多者。
在一個實施例中，感測器經組態以偵測氣體試劑，且感測器具有換能器，該換能器包括形成天線之電諧振電路。感測器亦具有至少安置於換能器之一部分上之感測材料，且感測材料經組態以在暴露於氣體試劑時同時展現電容回應及電阻回應。
在另一實施例中，感測器經組態以偵測氣體試劑且感測器具有換能器，該換能器包括天線。感測器亦具有安置於換能器上之感測材料，且感測材料包括半導體金屬氧化物。此外，將貴金屬觸媒沈積於半導體金屬氧化物上。天線經組態以在暴露於氣體試劑時發射電場來 探測感測材料之回應。
在另一實施例中，描述一種用於製造經組態以偵測氣體試劑之感測器的方法。第一，藉由將天線安置於基板上來形成換能器。第二，將貴金屬觸媒摻雜至半導體金屬氧化物以形成金屬氧化物粉末。第三，將金屬氧化物粉末與聚合物基質之水溶液混合以形成穩定金屬氧化物懸浮液。第四，將金屬氧化物懸浮液沈積於換能器上且將其乾燥以形成最終感測材料。
在另一實施例中，敍述一種用於偵測氣體試劑之方法。在一個步驟中，將感測材料暴露於氣體試劑，其中感測材料包含第一組分及第二組分。將第一組分及第二組分沈積於感測線圈之表面上。氧化或還原第一組分及/或第二組分，且在一頻率範圍內量測感測線圈之電容回應及電阻回應。最後，使用電容回應及電阻回應執行分析以偵測氣體試劑之濃度。
10‧‧‧感測器
12‧‧‧感測材料
14‧‧‧天線
16‧‧‧感測器
18‧‧‧感測材料
20‧‧‧互補感測區域
22‧‧‧天線
24‧‧‧積體電路記憶體晶片
30‧‧‧系統
32‧‧‧感測器
34‧‧‧射頻識別感測器阻抗讀取器
36‧‧‧積體電路記憶體晶片讀取器
38‧‧‧射頻識別讀取器
40‧‧‧感測線圈
42‧‧‧磁場
50‧‧‧實部
52‧‧‧虛部
54‧‧‧譜
56‧‧‧頻率位置
58‧‧‧量值
60‧‧‧諧振頻率
62‧‧‧反諧振頻率
70‧‧‧實驗設置
72‧‧‧感測器讀取器
74‧‧‧拾波線圈
76‧‧‧感測器
78‧‧‧氣流單元
90‧‧‧圖形表示
92‧‧‧原始暴露前位準
110‧‧‧多變數感測器
112‧‧‧感測線圈
114‧‧‧電感
116‧‧‧電容
118‧‧‧電阻
120‧‧‧積體電路晶片
122‧‧‧電容
124‧‧‧電阻
130‧‧‧第一組分
132‧‧‧第二組分
134‧‧‧第三組分
140‧‧‧圖形表示
150‧‧‧圖形表示
160‧‧‧圖形表示
170‧‧‧圖形表示
180‧‧‧圖形表示
當參考隨附圖式閱讀以下實施方式時，本發明之此等及其他特徵、態樣及優勢將變得更好理解，其中遍及圖式，類似字符表示類似部分，其中：圖1A及圖1B展示根據本發明之實施例的待用於蒸氣感測的RFID標記；圖2為根據本發明之實施例之感測器的示意性表示；圖3為根據本發明之實施例之經量測阻抗譜的圖形表示；圖4為根據本發明之實施例之感測器設置的區塊示意圖；圖5A、圖5B及圖5C為根據本發明之實施例之以三個不同感測器獲得之實驗結果的圖形表示；圖6為根據本發明之實施例之感測器回應之基線穩定性或可逆性的圖形表示； 圖7為根據本發明之實施例的對於增加分析物之濃度位準之感測器回應的圖形表示；圖8為根據本發明之實施例的具有IC記憶體晶片及感測線圈之感測器之等效電路圖的示意性表示；圖9A、圖9B及圖9C繪示根據本發明之實施例的可與多變數感測器一起使用之感測材料的設計；圖10為根據本發明之實施例的在將一個諧振感測器暴露於三種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示；圖11為根據本發明之實施例的在將另一諧振感測器暴露於三種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示；圖12為根據本發明之實施例的在將一個諧振感測器暴露於五種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示；圖13為根據本發明之實施例的在將另一諧振感測器暴露於五種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示；圖14為根據本發明之實施例的在將一個諧振感測器暴露於三種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示。
在各種實施例中，可將感測材料安置於經組態作為諧振電路之器件(諸如，電感器-電容器-電阻器(「LCR」)感測器)的表面上。LCR感測器之非限制性實例包括具有積體電路(「IC」)記憶體晶片之RFID感測器及不具有IC記憶體晶片之RFID感測器(例如，無晶片RFID感測器或無晶片LCR感測器)。LCR感測器可為無線或有線的。為了收集資料，在一頻率範圍(諸如，LCR電路之諧振頻率範圍)內獲取諧振電路之阻抗譜。在某些實施例中，在LCR電路之諧振頻率範圍內之單一頻率下獲得諧振電路之阻抗回應。該技術進一步包括自所獲取譜計算多變數特徵標記及操控資料以辨別某些蒸氣之存在。藉由根據觀測電 路之諧振電子特性的變化來量測介電質、維度、電荷轉移之變化及所採用之材料之特性的其他變化來偵測蒸氣之存在。藉由使用多變數分析，可將感測材料對氣體滅菌試劑之存在的回應簡化為允許辨識或偵測氣體試劑之單一資料點。在某些實施例中，基於單變數分析之校準模型亦用於辨識特定氣體存在及其濃度。
為了更清晰且簡明地描述所主張發明之標的物，提供以下描述及所附申請專利範圍中所使用之特定術語的以下定義。
術語「流體」包括氣體、蒸氣、液體及固體。
術語「分析物」包括係化學分析之主題的任何物質或化學成分。分析物之實例包括(但不限於)二氧化氯、甲醛、過氧化氫、過氧乙酸、溴化甲烷、臭氧、環氧乙烷或其任何組合。在某些實施例中，本發明之感測材料可經組態以偵測與「去污」、「滅菌」及/或「薰蒸」相關之分析物。術語「去污」、「滅菌」及「薰蒸」係互相關的且可全部指代與自環境移除污染物、非所需物質或其他流體相關之程序、方法、工序或動作過程。舉例而言，去污、滅菌及/或薰蒸工序可能涉及使用物質(例如，二氧化氯)以經由化學反應、回應或程序消除污染物(例如，細菌)。
術語「監控程序」包括(但不限於)量測出現於感測器周圍之物理變化。舉例而言，監控程序包括監控與感測器周圍之環境之物理、化學及/或生物特性的變化相關之生物醫藥、食品或飲料製造程序中之變化。監控程序亦可包括監控物理變化以及組分之組成或位置之變化的彼等工業程序。非限制性實例包括國土安全監控、住房保護監控、環境監控、臨床或床邊患者監控、機場安全監控、准入售票及其他公共事件。可在感測器信號已達到明顯穩定狀態回應時及/或在感測器具有動態回應時執行監控。穩定狀態感測器回應為在經測定之時間週期內來自感測器的回應，其中該回應並不隨量測時間明顯地變化。因 此，穩定狀態感測器回應之量測隨時間產生類似值。動態感測器回應為來自感測器之對經量測環境參數(溫度、壓力、化學濃度、生物濃度等)之變化的回應。因此，動態感測器回應在量測時間內顯著地變化以產生對於經量測之一或多個環境參數之回應的動態特徵標記。回應之動態特徵標記之非限制性實例包括平均回應斜率、平均回應量值、信號回應之最大正斜率、信號回應之最大負斜率、信號回應之平均變化、信號回應之最大正變化及信號回應之最大負變化。
術語「多變數感測器」在本文中被稱作能夠產生多個回應信號的單一感測器，該等回應信號實質上彼此並不相關且其中使用多變數分析工具進一步分析來自多變數感測器之此等個別回應信號以建構暴露於不同濃度下之不同分析物之感測器的回應模式。在一個實施例中，使用多變數分析工具對多個回應信號執行多變數或多變數信號轉換以建構多變數感測器回應模式。在某些實施例中，多個回應信號包含在暴露於分析物時安置於多變數感測器上之感測材料的電容變化及電阻變化。在其他實施例中，多個回應信號包含電容變化、電阻變化、電感變化或其任何組合。
術語「多變數分析」係指用以分析來自感測器回應之一個以上變數且提供關於來自經量測感測器參數之至少一個環境參數之類型的資訊及/或關於來自經量測感測器參數之至少一個環境參數之位準的定量資訊的數學程序。多變數分析方法之非限制性實例包括典型相關分析、回歸分析、非線性回歸分析、主成分分析、判別函數分析、多維縮放、線性判別分析、邏輯回歸或神經網路分析。
術語「環境參數」用以指代製造或監控系統內或周圍之可量測環境變數。可量測環境變數包含物理、化學及生物特性中之至少一者且包括(但不限於)以下各者之量測：溫度；壓力；材料濃度；導電率；介電特性；鄰近感測器或與感測器接觸之介電質、金屬、化學或 生物粒子之數目；電離輻射之劑量；及光強度。
術語「譜參數」用以指代感測器回應之可量測變數。感測器回應為LCR或RFID感測器之阻抗譜。除量測呈Z參數、S參數及其他參數形式之阻抗譜之外，可使用用於分析之多種參數(諸如，阻抗之實部之最大值的頻率(Fp)、阻抗之實部的量值(Zp)、阻抗之虛部的諧振頻率(F1)、阻抗之虛部的反諧振頻率(F2)、在阻抗之虛部的諧振頻率(F1)處的信號量值(Z1)、在阻抗之虛部的反諧振頻率(F2)處的信號量值(Z2)及零電抗頻率(Fz，在該頻率處阻抗之虛部為零)同時分析阻抗譜(其實部及虛部兩者)。可使用完整阻抗譜同時量測其他譜參數(例如，諧振之品質因數、相角及阻抗之量值)。總體而言，自阻抗譜計算之「譜參數」亦可被稱作「特徵」或「描述符」。自可自譜計算之所有潛在特徵執行特徵之適當選擇。在標題為「Methods and systems for calibration of RFID sensors」之美國專利第7,911,345號中描述多變數譜參數，該專利以引用之方式併入本文中。
術語「諧振阻抗」或「阻抗」將經量測感測器頻率回應稱為感測器之諧振周圍的阻抗之實部及虛部，感測器「譜參數」自其提取。
如本文中所使用，術語「感測材料及感測膜」包括(但不限於)沈積至換能器之電子器件模組(諸如，LCR電路組件或RFID標記)上以在與環境相互作用後執行可預測及可再現地影響阻抗感測器回應之功能的材料。為了防止感測器膜中之材料浸入至液體環境中，使用標準技術(諸如，共價鍵合、靜電鍵合及一般熟習此項技術者已知之其他標準技術)將感測材料附著至感測器表面。
術語「換能器及感測器」用以指代意欲用於感測之電子器件(諸如，RFID及LCR器件)。「換能器」為在其經塗佈有感測膜之前或在其經校準以用於感測應用之前的器件。「感測器」為通常在其經塗佈有感測膜之後且在經校準以用於感測應用之後的器件。
如本文中所使用，術語「RFID標記」係指使用電子標記以用於識別及/或追蹤RFID標記可附著至其的物品的識別及報告技術。RFID標記通常包括至少兩個組件，其中第一組件為用於儲存及處理資訊且調變及解調變射頻信號的積體電路(IC)記憶體晶片。此記憶體晶片亦可用於其他特殊化功能，例如，其可含有電容器。其亦可含有用於類比信號之至少一個輸入，諸如，電阻輸入、電容輸入或電感輸入。在無晶片RFID標記之情況下，RFID標記可不包括IC記憶體晶片。此類型之RFID標記可適用於其中並不要求識別RFID標記而是相反地僅指示標記之存在的信號提供有用資訊的應用(例如，產品安全應用)。RFID標記之第二組件為用於接收及傳輸射頻信號之天線。
例如，在RFID標記之天線亦藉由改變其作為環境變化之函數的阻抗參數來執行感測功能時，術語「RFID感測器」為具有經添加之感測功能之RFID標記。藉由分析諧振阻抗執行利用此等RFID感測器對環境變化之準確測定。舉例而言，可藉由用感測膜塗佈RFID標記來將RFID標記轉換為RFID感測器。藉由用感測膜塗佈RFID標記，將膜之電回應轉化為對以下各者的同時變化：感測器天線之阻抗回應、阻抗回應之諧振峰值位置、峰值寬度、峰值高度及峰值對稱性；阻抗之實部的量值；阻抗之虛部的諧振頻率；阻抗之虛部的反諧振頻率；零電抗頻率；相角；及阻抗量值。「RFID感測器」可具有附著至天線之積體電路(IC)記憶體晶片或可不具有IC記憶體晶片。不具有IC記憶體晶片之RFID感測器為LCR感測器。LCR感測器包括已知組件，諸如，用以形成LCR電路之至少一個電感器(L)、至少一個電容器(C)及至少一個電阻器(R)。
如本文中所提及之關於感測器操作的術語「可逆性」係感測器由於金屬氧化物組成或任何其他感測材料組成阻止對於感測器之永久性變化而恢復至其自然或暴露前的值之時。因此，在蒸氣之存在下， 感測器將相應地作出回應；然而，隨著蒸氣濃度耗散，感測器回應將恢復至原始值。因此，當感測材料在與所需氣體接觸後展現信號變化且在移除氣體後恢復至其原始、暴露前的值時，該材料被稱為可逆的。相反地，當感測材料在與所需氣體接觸後展現信號變化且在移除氣體濃度後並不恢復至其原始值時，該材料被稱為不可逆的。
關於感測器操作之術語「劑量計」係指在暴露於遞增之蒸氣濃度時展現累積信號變化的感測器。感測器信號隨著蒸氣濃度增加而增加，但在移除蒸氣後該信號並未恢復至其原始值。在一個實施例中，劑量計感測器可經組態為一次性使用的感測器。
術語「寫入器/讀取器」包括(但不限於)用以寫入及讀取資料至記憶體晶片之記憶體中及用以讀取天線之阻抗的器件之組合。「寫入器/讀取器」之另一術語為「詢問器」。
關於用於建構感測器或感測器件之方法的術語「製備」係指組裝、構建、製造、搜集用於部分地建構如本發明中所敍述之感測器或感測器件及/或完成如本發明中所敍述之感測器或感測器件之部分構造的組件。
根據本文中所揭示之實施例，描述用於感測氣體試劑之LCR感測器或RFID感測器。如先前所論述，半導體金屬氧化物感測材料可經安置於換能器上且用以偵測特定蒸氣之存在。在分析物來到半導體金屬氧化物前時，氣體分析物可能經歷氧化、還原、吸附、解吸附或體效應，其藉此導致半導體金屬氧化物之電阻變化、電容變化及/或電感變化。根據本文中所揭示之實施例，可經由將感測器讀取器電感耦合至具有經沈積感測材料之感測線圈來同時量測半導體金屬氧化物之介電特性中之至少兩者的變化，其可偵測二氧化氯或其他氣體試劑之存在。在某些實施例中，感測線圈可充當感測天線。
現參看圖式，圖1展示其中感測器經特定調適以偵測氣體試劑的 兩個實施例。圖1A繪示一個實施例，其中感測器10包含作為換能器之射頻識別(RFID)平台。另外，感測器10包含安置於天線14上之感測材料12，藉此在蒸氣存在的情況下改變感測器10之阻抗回應。在另一實施例中，換能器可為電感器-電容器-電阻器(LCR)諧振器、厚度剪切模式諧振器、交叉指形電極結構或通用電極結構。在一個實施例中，換能器可在自若干千赫茲(kHz)至若干皮赫茲(PHz)的頻率範圍內起作用。
圖1B繪示包含具有作為換能器之RFID平台之感測器16的另一實施例。與圖1A相比，僅將感測材料18安置於感測器16之互補感測區域20上而非安置於整個天線22上。互補感測區域20為感測器16之其中天線22與積體電路(「IC」)記憶體晶片24接觸或重疊之區域。安置於互補感測區域20上之感測材料18在蒸氣存在的情況下改變感測器16之阻抗回應。在另一實施例中，所使用之換能器可為電感器-電容器-電阻器(LCR)諧振器、厚度剪切模式諧振器、交叉指形電極結構或通用電極結構。
互補感測區域20提供優於圖1A中所展示之組態的優點，其中整個天線14充當電極結構。在與整個天線22相比時，互補感測區域20之相對較小之大小導致所塗覆感測材料之成本降低。此外，與如圖1A中所展示之天線14上之電極區域之間的間隙相比，製造互補感測區域20中之電極之間的奈米級大小間隙為相對簡單的。互補感測器之非限制性實例為交叉指形感測器、電阻式感測器及電容式感測器。在標題為「Methods and Systems for Calibration of RFID Sensors」之美國專利7,911,345號中描述互補感測器，該專利以引用之方式併入本文中。
為了偵測二氧化氯及其他此類氧化劑，圖1A及圖1B中所展示之感測系統均可被利用，其中選擇取決於所需靈敏度、回應時間、感測器成本及其他效能及/或製造參數。
在一個實施例中，所利用之感測材料12為經定製以特定地偵測所需分析物的半導體金屬氧化物調配物。作為非限制性實例，針對二氧化氯使用之感測材料12包括安置於半導體金屬氧化物上之貴金屬觸媒。半導體金屬氧化物可包括氧化銦(In2O3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎢(WO3)、氧化錫(SnO2)、氧化鈦(TiO2)及氧化銦錫(ITO)。貴金屬觸媒可為以下各者中之任一者：鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)及銀(Ag)。在某些實施例中，感測材料12可由如關於圖9詳細描述之核心組分及層、殼體或基質組分組成。
在某一實施例中，感測材料之製備方法包括首先藉由濕潤浸漬將貴金屬觸媒摻雜至半導體金屬氧化物之表面以形成金屬氧化物粉末。在其他實施例中，可使用原位合成將貴金屬觸媒摻雜至半導體金屬氧化物。摻雜一般係指將控制量之雜質引入至鹼基組成以改變其電特性來達到所需材料效能。因此，將貴金屬觸媒安置於半導體金屬氧化物上以改變鹼性半導體金屬氧化物之電特性。在一個實施例中，將貴金屬觸媒添加至半導體金屬氧化物導致半導體金屬氧化物在蒸氣存在的情況下同時展現多個回應。在將貴金屬觸媒摻雜至半導體金屬氧化物之後，將所得金屬氧化物粉末與金屬鹽之水溶液混合。此類金屬鹽之非限制性實例為氯化金、六氯氫鉑(hydrogen hexachloroplatinate)、硝酸銀及氯化鈀。最後，在介於450℃至600℃之間的控制溫度下乾燥最終材料粉末以促進將金屬前驅體分解為金屬形態。在一個實施例中，添加劑與感測材料內之鹼金屬氧化物之重量百分比在0.01%至1%之範圍內。
半導體金屬氧化物可經由不同方法(諸如，溶膠-凝膠、水熱反應及此項技術中已知之任何其他方法)合成。在某些實施例中，SnCl4可用作錫之來源以產生氧化錫(SnO2)。可將SnCl4溶解於水：乙醇(1：1 wt/wt)溶劑中，其中添加幾滴氯化氫溶液直至pH大約為0.4。可藉由 添加30%之NH4OH同時不斷攪拌混合物將所得溶液之pH調整至4.0。隨後過濾所得沈澱且用水洗滌直至不含任何Cl-，且隨後首先在100℃下乾燥2小時，接著在600℃下煅燒4小時。
在其他實施例中，可藉由將3.00g鎢酸鈉(Na2WO4．2H2O)及0.05g十六烷基三甲基溴化銨(「CTAB」)溶解於10mL之去離子(「DI」)水中來製造氧化鋅及氧化鎢之混合物。接下來，可將10mL之硝酸(1.5mol/L)溶液緩慢添加至此溶液中，且可攪拌所得溶液2小時。可藉由離心收集所產生之沈澱。隨後用DI水洗滌沈澱兩次，用乙醇洗滌沈澱三次且在80℃下於烘箱中乾燥沈澱產生鎢酸。接下來，將3.67g的Zn(NO3)2及0.10g的CTAB溶解於50mL之DI水中以獲得溶液「A」。另外，亦可將Na2CO3(1.31g)溶解於50ml之DI水中以獲得溶液「B」。可隨後伴以劇烈攪拌將溶液B逐滴添加至溶液A。在攪拌1小時之後，藉由離心來收集沈澱。隨後，可將適量的所形成之鎢酸與羥基碳酸鋅混合，且可研磨該混合物0.5小時。最後應在空氣中於600℃下煅燒該混合物2小時。
在某些實施例中，可將摻雜有貴金屬觸媒之半導體金屬氧化物直接分散於溶劑(例如，水、乙醇、異丙醇、丙酮、甲苯、己烷及1-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)或其組合)中。溶劑包括聚合物基質，諸如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)及使用沈積方法之丙烯酸類聚合物。一些沈積法包括(但不限於)滴落塗佈、噴塗、旋塗、覆塗(flood coating)、噴墨印刷、直接寫入、油墨沈積及網板印刷。聚合物基質相對於感測材料內之半導體金屬氧化物之重量百分比在0.1%至99.9%之範圍內，更佳在為1%至99%，且更佳地為10%至80%。基質可為聚合物基質、無機基質或複合基質。
組合物中之聚合物基質與半導體金屬氧化物之組合及比率可測定感測效能。在一個實施例中，所需感測效能可能係在將感測器暴露 於約30ppm至約300ppm之分析物濃度下時達成感測器回應而並未在約300ppm下展現回應飽和。為開發可達成所需感測效能之感測器，可將聚合物基質與由氧化銦錫構成之活性感測材料混合以在溶劑中形成穩定分散液。聚合物基質-半導體金屬氧化物分散液可經沈積至RFID換能器表面上且經乾燥以形成感測膜。表1展示用於ClO2感測之三種不同聚合物基質-半導體金屬氧化物調配物的感測效能。大約30重量百分比之膜為聚合物。在感測器膜沈積之前感測器之Zp值為800歐姆。在所測試之三種聚合物基質之中，PVDF顯示出與氧化銦錫極佳之相容性且達到最佳ClO2偵測靈敏度(介於30ppm至300ppm之間的動態解析度)。
表2展示在將不同百分比之PVDF包括於感測膜中時的感測器效能。67%之PVDF及33%之氧化銦錫的組合達成來自30ppm至300ppm之ClO2之最有利之ClO2回應，係因為其並未在300ppm下展現飽和，而其他感測膜在小於300ppm之濃度下展現飽和。具有含有67%之PVDF之調配物的感測器亦顯示出對所測試濃度之可再現感測器回應。
金屬氧化物感測器可能含有金屬氧化物、觸媒及聚合物，其中聚合物充當黏合劑。聚合物黏合劑改良感測材料對基板之黏著力。在某些實施例中，感測材料可含有金屬氧化物、觸媒及聚合物，其中聚合物充當基質以控制感測器靈敏度。
圖2展示經組態以偵測某些氣體分析物之存在之完整系統30的一個實施例。在某些實施例中，將具有被動或無電池之RFID平台換能器的感測器32暴露於氣體分析物。RFID感測器阻抗讀取器34及IC記憶體晶片讀取器36經容納於RFID讀取器38內。感測線圈40發射磁場42以便讀取感測器對分析物之回應。在分析物之存在下，安置於感測器32上之感測材料可引發電容變化及電阻變化，感測線圈之磁場42將偵測該電容變化及該電阻變化。此程序實際上將資訊寫入及讀取至IC記憶體晶片讀取器34上，同時經由感測線圈40與感測器32之間的電感耦合量測感測器32之阻抗Z(f)。在另一實施例中，感測器換能器可為電感器-電容器-電阻器(LCR)諧振器、厚度剪切模式諧振器、交叉指形電極結構或通用電極結構。
圖3展示含有阻抗譜54之實部Zre(f)50及虛部Zim(f)52之經量測阻抗譜的實例。此外，展示用於多變數分析之各種譜參數之實例--頻率位置(Fp)56；Zre(f)之量值(Zp)58；Zim(f)之諧振頻率(F1)60及Zim(f)之反諧振頻率(F2)62。為了在不受控制之溫度波動的存在下準確量測氣體，自塗佈有感測材料之諧振感測器天線量測阻抗譜
Figure TWI678531B_D0004
(f) 54之實部Zre(f)50及虛部Zim(f)52且自如圖3中所展示之經量測Zre(f)50及Zim(f)52計算若干譜參數。多變數分析將來自複合阻抗譜54之所量測實部Zre(f)50及虛部Zim(f)52或所計算參數Fp 56、Zp 58、F1 60、F2 62之複阻抗回應的維度縮減至多維空間中之單一資料點。在考慮環境溫度中 之任何波動時，單一資料點可識別存在之分析物。在標題為Temperature-Independent Chemical and Biological Sensors之美國專利申請案2012/0161787中描述用多變數感測器對環境溫度波動之自校正，該專利申請案以引用之方式併入本文中。
在一個實施例中，執行多變數分析作為主成分分析(「PCA」)。PCA為用以將多維資料集縮減至較低維度(例如，單一變數)以簡化分析的數學程序。主成分分析為多變數資料之統計分析之本徵分析方法的一部分且可使用協方差矩陣或相關矩陣執行。當應用PCA時，產生對不同蒸氣之感測器回應的多變數特徵標記。在標題為Sensor Systems and Methods for Selective Analyte Detection Using Resonance Sensor Circuit之美國專利第8,364,419號中描述關於自感測器接收之資料的主成分分析，該專利以引用之方式併入本文中。
圖4展示實驗設置70之實施例，其中將感測器讀取器72附著至拾波線圈74，且將感測器76容納於置放於拾波線圈74頂部的氣流單元78內。感測器76可為具有經沈積感測膜之感測線圈或天線。實驗設置70用以獲得實驗資料，如進一步參考圖5、圖6及圖10至圖14所描述。在一個實施例中，經由氣流單元78控制分析物流動以將感測器暴露於控制濃度之分析物。氣流單元78可為具有用於分析物流動之入口及出口的氣密式塑膠盒。在分析物進入氣流單元78時，感測器76可偵測分析物，藉此感測材料可在經更改之電容及電阻中展現同時回應。拾波線圈74經由拾波線圈74與感測器76之間的電感耦合偵測沈積至感測線圈或天線76上之感測材料之電容及電阻的變化。感測器讀取器72隨後收集此資料且執行多變數或單變數分析以警示操作員分析物之存在。
圖5展示來自測試本發明之實施例之結果的圖形表示，且具體而言，圖5繪示關於上文提及之實驗設置70之感測器回應的再現性。出於實驗之目的，使用電腦控制蒸氣產生系統產生不同濃度之二氧化氯 氣體。藉由亞氯酸鈉-鹽酸反應產生ClO2，其中主要的起作用的化學反應為：5 NaClO2+4 HCl → 5 NaCl+4 ClO2+2H2O。
在實驗期間，經由用乾燥空氣稀釋，空氣中之ClO2濃度為大約500ppm且相對濕度維持於大約40%。將感測器暴露於ClO2達大約三十秒之時間段。圖5中展示三個實驗之所得回應。使用具有相同經手動沈積之感測膜的不同感測器進行三個實驗中之每一者。使用三個不同感測器產生圖5A、圖5B及圖5C，每一感測器具有被動RFID平台換能器及作為感測材料之摻雜0.8% Pt的氧化銦。如藉由圖5可理解，每一實驗產生具有僅輕微變化的類似結果。重要的是，每一感測器立即回應於分析物暴露且隨後恢復至原始的暴露前位準。因此，圖5繪示三個感測器中之每一者的可逆特徵。
圖6類似地傳達來自利用本發明之一實施例之實驗之結果的圖形表示90。利用具有被動RFID平台換能器及含摻雜0.8% Pt之氧化銦的感測材料的感測器以產生圖6中之結果。
另外，圖4中繪示用以產生圖6中之結果的實驗設置。分析物之流動速率為400cc/min，以使得將感測器暴露於500ppm濃度之ClO2達30秒，接著暴露於具有40%濕度之空氣。暴露至ClO2之間的間隔為60分鐘。
圖6具體展示對三個重複量測之感測器回應的基線穩定性或可逆性。圖6中之感測器回應為可逆的，係因為當在三個量測中之每一者中移除分析物時其恢復至其原始的暴露前位準92。另外，執行重複量測以測定感測器穩定性及偵測極限。偵測極限為表示感測器可偵測到之分析物之最低濃度的計算值。偵測極限(DL)經計算為8ppm之ClO2，且使用△Zp=33.4歐姆、Std Zp=0.18歐姆之經量測值在3之信號雜訊比下其經計算為DL=8.1ppm。
圖7繪示來自測試本發明之實施例之結果的圖形表示。具體而言，圖7展示對遞增ClO2位準作出回應之感測器的回應。在實驗期間，空氣中之ClO2濃度介於30ppm至300ppm之間且具有20ppm間隔，使用乾燥空氣稀釋來控制該間隔。相對濕度為大約40%。基於半導體混合金屬氧化物及聚合物基質之調配比例來最佳化感測器偵測到之ClO2濃度的解析度。作為非限制性實例，為了達成20ppm之解析度，感測材料調配物包括鹼金屬氧化物(亦即，氧化銦錫(ITO))及聚合物基質(亦即，聚偏二氟乙烯(PVDF))，其中該調配物含有在1-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)溶劑中之3mg之半導體金屬氧化物及67%之聚合物黏合劑。展示針對每一位準濃度之暴露時間為三十秒及平衡時間為5分鐘的三個實驗之所得回應，且自此等數目繪製對應校準圖表。圖7繪示在最後暴露於ClO2之後感測器信號緩慢恢復至其原始基線。
圖8展示具有RFID平台換能器之多變數感測器110之等效電路的實施例。感測器110具有感測線圈112，其具有電感LA 114、電容CA 116及電阻RA 118；感測天線；感測材料；及IC晶片120，其具有電容CC 122及電阻RC 124。將塗覆於如圖1A或圖1B中所展示之感測區域之感測材料的複電容率描述為ε'r-j ε"r，其中實部ε'r對應於感測材料之能量儲存容量且虛部ε"r與導電率σ成正比。因此，感測材料經由複電容率之實部ε'r展現電容回應，且感測材料經由複電容率之虛部ε"r展現電阻回應。複電容率之實部對應於感測材料之能量儲存容量，其與感測材料之電容成比例。此外，由於複電容率之虛部與導電率成比例，故其因為導電率與電阻逆相關而與電阻成反比。因此，藉由量測感測材料之複電容率，可量測感測材料對電阻變化及電容變化兩者之回應。
感測器亦具有在環境溫度下獲得準確量測之能力，即使可能出現溫度之波動。環境溫度之變化對圖8中之等效電路的不同組件產生 獨立作用。然而，此等獨立作用與諧振阻抗譜之譜特徵相關且由感測器之多變數回應解析。
圖9中呈現用於本發明之實施例之多變數感測材料之設計的實例。為產生多變數回應，材料可具有蒸氣惰性核心或蒸氣活性核心，其可包括第一組件130。第一組分130可由可包括第二組分132之完全覆蓋層、殼體或基質(例如，如圖9A中所繪示)或不完全覆蓋層、殼體或基質(例如，如圖9B及圖9C中所繪示)環繞。在某些實施例中，層、殼體或基質可包括第二組分132及如圖9C中所展示之第三組分134。 在其他實施例中，層、殼體或基質可包括兩種以上組分。多變數感測材料中之組分的數目可介於1與20之間，其中每一組分在感測膜中執行不同功能。多變數感測材料之第一組分130可包括奈米粒子、微米粒子、奈米線及奈米管。第一組分130之材料可為傳導性材料、半導體材料或非傳導性材料。第一組分130之形狀可為受到控制或隨機的。另外，第一組分130之尺寸可不受暴露於蒸氣影響或第一組分130尺寸可受此類暴露影響。若受暴露於蒸氣影響，則第一組分130尺寸可能收縮或膨脹，或展現介電特性、電特性及/或光學特性的變化。
層、殼體或基質可為包括至少一種奈米粒子、微米粒子、奈米線或奈米管的保形層、單層或非保形層。另外，填充劑基質可填充第一組分130與層、殼體或基質之間的空隙。第二組分132及/或第三組分分134可為傳導性材料、半導體材料或非傳導性材料。層、殼體或基質屬性之形狀可為受到控制或隨機的。層、殼體或基質之尺寸可不受暴露於蒸氣影響或層、殼體或基質之尺寸可受蒸氣影響。若受暴露於蒸氣影響，則層、殼體或基質尺寸可能收縮或膨脹，或展現介電特性、電特性及/或光學特性的變化。
在某些實施例中，多變數感測材料可包括混合結構以使得藉由強烈的物理鍵結或相互作用來連接兩種以上材料(例如，金屬氧化 物、金屬氧化物構架、有機配位體加蓋奈米粒子、無機配位體加蓋奈米粒子、聚合配位體加蓋奈米粒子或混合金屬氧化物)。混合多變數感測材料可具有微米結構特徵或奈米結構特徵(諸如，傳導性貴金屬、傳導性有機聚合材料與官能化奈米材料之間的物理相互作用)。
圖10為在將一個諧振感測器暴露於三種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示140。圖4中繪示用以產生圖10中之結果的實驗設置70。圖10描繪感測器76對若干蒸氣(例如，氨、甲醇及氯)之回應，其中感測器76具有WO3-ZnO混合氧化物感測材料。在400℃下進行實驗且以諧振模式操作感測器76來量測諧振譜。所測試蒸氣為10ppm、20ppm及40ppm濃度下之氯，15ppm、30ppm及60ppm濃度下之甲醇及20ppm、40ppm及80ppm濃度下之氨。量測感測器76回應作為諧振阻抗之實部及虛部。圖10展示在對來自感測器76之若干回應進行主成分分析後的計分圖140。此圖140展示感測器76可區分感測器76所暴露於之三種不同蒸氣。
圖11為在將另一諧振感測器暴露於三種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示150。圖4中繪示用以產生圖11中之結果的實驗設置70。圖11描繪感測器76對若干蒸氣(例如，氨、甲醇及柳酸甲酯(MeS))之回應，其中感測器76具有摻雜Pt之In2O3金屬氧化物感測材料。在300℃下進行實驗且以諧振模式操作感測器76來量測諧振譜。 所測試蒸氣為20ppm、40ppm及60ppm濃度下之氨，15ppm、30ppm及45ppm濃度下之柳酸甲酯及100ppm、200ppm及300ppm濃度下之甲醇。量測感測器76回應作為諧振阻抗之實部及虛部。圖11展示在對來自感測器76之若干回應進行主成分分析後的計分圖150。此圖150展示感測器76可區分感測器76所暴露於之三種不同蒸氣。
圖12為在將一個諧振感測器暴露於五種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示160。圖4中繪示用以產生圖12中之結果的 實驗設置70。圖12描繪感測器76對若干蒸氣(例如，過氧化氫、乙醇胺、水、二氧化氯及氨)之回應，其中感測器76具有SnO2-Pd複合感測材料。在300℃下進行實驗且以諧振模式操作感測器76來量測諧振譜。所測試蒸氣為過氧化氫、乙醇胺、水、二氧化氯、氨及水。所測試蒸氣之濃度為1/8、1/4及1/2 P/Po，其中P為蒸氣分壓且Po為飽和蒸氣壓。量測感測器76回應作為諧振阻抗之實部及虛部。圖12展示在對來自感測器76之若干回應進行主成分分析後的計分圖160。此圖160展示具有SnO2-Pd作為感測材料之感測器76可區分感測器76所暴露於之五種不同蒸氣。
在某些實施例中，藉由將三水合錫酸鈉(例如，2g)溶解於DI水(例如，15mL)中來合成SnO2-Pd複合物。將單水合D-葡萄糖(例如，1g)添加至三水合錫酸鈉及水混合物中且在油浴中於60℃下攪拌隔夜。 形成之白色沈澱藉由離心分離來收集，且接著用DI水洗滌。藉由冷凍乾燥隔夜來乾燥所收集的奈米粒子。將大約300mg之SnO2分散於30mL之水中。將四氯鈀酸鈉(例如，7mg)添加至此混合物中，接著添加硼氫化鈉(例如，8mg)。此程序產生具有0.8%之Pd比率的最終非複合結構。此反應混合物可經攪拌隔夜且使用離心洗滌來純化最終奈米粒子。
圖13為在將另一諧振感測器暴露於五種不同蒸氣後用該感測器獲得之實驗結果的圖形表示170。圖4中繪示用以產生圖13中之結果的實驗設置70。圖13描繪感測器76對若干蒸氣(例如，過氧化氫、乙醇胺、水、二氧化氯及氨)之回應，其中感測器76僅具有SnO2作為複合感測材料。在300℃下進行實驗且以諧振模式操作感測器76來量測諧振譜。所測試蒸氣為過氧化氫、乙醇胺、水、二氧化氯、氨及水。所測試蒸氣之濃度為1/8、1/4及1/2 P/Po，其中P為蒸氣分壓且Po為飽和蒸氣壓。量測感測器76回應作為諧振阻抗之實部及虛部。圖13展示在 對來自感測器76之若干回應進行主成分分析後的計分圖170。此圖170展示具有SnO2作為感測材料之感測器76可區分感測器76所暴露於之五種不同蒸氣。
圖14為在暴露於三種不同蒸氣後利用一個諧振感測器獲得之實驗結果的圖形表示180。圖4中繪示用以產生圖14中之結果的實驗設置70。圖14描繪感測器76對若干蒸氣(例如，乙醇、甲基乙基酮及水)之回應，其中感測器76具有銀墨(silver ink)，該銀墨具有銀奈米粒子作為感測材料。銀奈米粒子直徑為約20nm且具有聚乙烯吡咯啶酮聚合物之殼體。在環境室溫(例如，大約20℃)下進行實驗且以諧振模式操作感測器76來量測諧振譜。所測試之蒸氣為乙醇、甲基乙基酮及水。所測試之蒸氣的濃度為1/8、1/4及1/2 P/Po。量測感測器76回應作為諧振阻抗之實部及虛部。圖14展示在對來自感測器76之若干回應進行主成分分析後的計分圖180。此圖180展示具有帶有聚乙烯吡咯啶酮殼體感測材料之銀奈米粒子之感測器76可區分感測器76所暴露於之三種不同蒸氣。
儘管已在本文中繪示並描述本發明之僅某些特徵，但熟習此項技術者將想到許多修改及變化。因此，應理解，所附申請專利範圍意欲涵蓋如屬於本發明之範疇內的所有此等修改及變化。

Claims (13)

  1. 一種經組態以偵測氣體試劑之感測器，其包含：換能器，其中該換能器包含形成天線之電諧振電路；及感測材料，其至少安置於該換能器之部分上，其中該感測材料係經組態以在暴露於氣體試劑時同時展現電容回應及電阻回應；其中該感測材料包含半導體金屬氧化物，其中該半導體金屬氧化物為半導體混合金屬氧化物，其特徵在於該感測材料進一步包含沈積於該半導體金屬氧化物上之貴金屬觸媒及聚合物基質，其中該聚合物基質係經組態以控制感測器靈敏度。
  2. 如請求項1之感測器，其中該氣體試劑為滅菌試劑、薰蒸試劑或去污試劑。
  3. 如請求項1或2之感測器，其中該感測材料在暴露於該氣體試劑時具有可逆回應。
  4. 如請求項1或2之感測器，其中該感測材料係經組態以作為劑量計來量測該氣體試劑之濃度，其係藉由提供隨著蒸氣濃度增加而增加但在移除蒸氣後並未恢復至其原始值的感測器信號。
  5. 如請求項1或2之感測器，其中該感測材料包含至少部分地用有機層塗佈之金屬奈米粒子。
  6. 如請求項1或2之感測器，其中該貴金屬觸媒為以下各者中之任一者：鉑、鈀、金、銀、鋁、銅、鐵、鎳、釕或其任何組合，且其中該半導體金屬氧化物為以下各者中之任一者：In2O3、ZnO、WO3、SnO2、TiO2、Fe2O3、Ga2O3及Sb2O3，或一或多種金屬之組合，包括In2O3與SnO2、In2O3與ZnO、SnO2與ZnO。
  7. 如請求項1或2之感測器，其中貴金屬觸媒對半導體金屬氧化物之重量百分比係在0.01%至1%之範圍內。
  8. 如請求項1或2之感測器，其中該感測器係經組態以在環境溫度下操作，該環境溫度係介於-40攝氏度至1000攝氏度之間。
  9. 如請求項1或2之感測器，其中該換能器為被動RFID平台換能器、電感器-電容器-電阻器(LCR)諧振器、厚度剪切模式諧振器、交叉指形電極結構或電極結構。
  10. 如請求項1或2之感測器，其中該感測材料係安置於該感測器之互補感測區域上而非在整個天線上。
  11. 一種用於製備經組態以偵測氣體試劑之感測器的方法，其包含：藉由將天線安置於基板上來組裝換能器；將貴金屬觸媒摻雜至半導體金屬氧化物以形成金屬氧化物粉末；將該金屬氧化物粉末與聚合物基質之水溶液混合以形成穩定金屬氧化物懸浮液；將該金屬氧化物懸浮液沈積於該換能器上；及乾燥該金屬氧化物懸浮液以形成感測材料；且其中該感測材料進一步包含聚合物基質，其中該聚合物基質係經組態以控制感測器靈敏度，且其中該半導體金屬氧化物為半導體混合金屬氧化物。
  12. 如請求項11之方法，其中該貴金屬觸媒為以下各者中之任一者：鉑、鈀、金、銀、鋁、銅、鐵、鎳、釕或其任何組合。
  13. 如請求項11或12之方法，其中使用濕潤浸漬或原位合成將該貴金屬觸媒沈積於該半導體金屬氧化物上。
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