[发明专利]纳米结构的气体传感器阵列和包括该阵列的设备

说明书

本发明提供了一种气体传感器阵列和包含该气体传感器阵列的设备。该气体传感器阵列包括：电绝缘的三维多孔模板，其包括多个第一孔和多个第二孔；多个导电的第一金属修饰的金属氧化物膜，每个形成在对应的第一孔内并且包括第一金属氧化物膜和第一金属修饰颗粒，第一金属氧化物膜的第一内表面附接在相应的第一孔的内壁上，第一外表面上修饰有第一金属修饰颗粒；以及多个导电的第二金属修饰的金属氧化物膜，每个形成在对应的第二孔内并且包括第二金属氧化物膜和第二金属修饰颗粒，第二金属氧化物膜的第二内表面附接在相应的第二孔的内壁上，第二外表面上修饰有第二金属修饰颗粒。第一金属修饰颗粒和第二金属修饰颗粒由不同的金属制成。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2020年1月16日提交的美国临时专利申请No.62/995,165的权益，该专利申请通过引用整体结合到本文中。

技术领域

本公开总体上涉及纳米结构的气体传感器阵列和包括该气体传感器阵列的设备，用于执行气体检测和浓度水平识别。

背景技术

在将事物与世界联系方面，感测优先。随着物联网技术(IoT)，甚至是未来5G网络的巨大机遇渗透至建筑、家庭、城市的各个部分，需要大量的数据采集，使得更小、智能化、低功耗、高集成度的传感器在市场上越来越普及。智能气体传感器能够感知周围环境(包括出于公共和家庭安全目而检测化学分析物、呼出气体、易燃或易爆气体)、进行气体泄漏检测、进行环境监测和疾病诊断，在我们日常生活中的最重要技术中扮演重要角色。特别对于室内空气质量监测和气体泄漏检测，需要气体传感器空间分布在房屋或建筑物中，以便长期连续监测和识别周围复杂环境，使人类免于处理火灾危险和爆炸性气体泄漏(例如H₂、NO₂)和从房屋装修释放的十亿分之几(ppb)级化学分析物(例如甲醛、甲苯)。

由于必须使用加热器，因此，大多数气体传感器装置选择性差、功耗高，这不仅降低了稳定性和使用寿命，而且阻碍了新一代便携式无线IoT装置的集成化和小型化的实现。而且，该装置系统通常由电池供电，电池由于寿命有限并且能量密度和容量有限，因此需要更换或定期充电，这给在智能家居和建筑应用中实现需要数百或数千个气体传感器的传感器网络部署设置了很大的障碍。因此，非常希望开发一种自供电的气体传感器系统，其能够成功地实现连续和高精度的家庭/建筑物室内空气质量监测，以保证健康和安全。采用的太阳能、机械振动、生物能、风场和热能等电源的自供电系统，被证明是一种使气体传感器节点自供电并具有无限寿命的有效方法。对于智能家居和/或建筑应用，太阳能电池可以充分利用光源，并且能够通过光伏效应将光波直接转换成电能，被认为是驱动传感器装置的最理想的电源。室内照明能源不受地域、天气和日照时间的影响，有望成为克服传统电池局限性的室内电源。室内光源可以产生大约100μW cm^-2水平的功率密度，这可以产生足够的功率来操作传感器装置，然而，先前未报告过用于智能家居和建筑物应用的室内光驱动的自供电的气体传感器阵列系统，主要是由于在超低功耗的气体传感器装置的制造和功能单元的系统集成方面存在挑战。

因此，在本领域中需要具有超低功耗的气体传感器装置和系统。

发明内容

本文提供了一种纳米结构的气体传感器阵列，尤其涉及基于3D纳米结构的SnO₂薄膜的气体传感器阵列和包括该气体传感器阵列的设备，用于执行气体识别以及浓度检测。