一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器及其检测方法技术

一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器及其检测方法，属于传感器技术领域。本发明专利技术将两个相同的敏感元件分别置于一个密闭腔室作为紫外线强度检测单元，以及一个与外界相通的腔室作为氧气浓度检测单元，以紫外线强度检测单元作为氧气浓度检测单元的参考端，通过控制检测单元接入外端电路，使得传感器能够同步、快速、实时监测外界环境的紫外线强度和氧气浓度。本发明专利技术传感器采用紫外激发替换热激发，实现器件工作在室温条件，避免了热激发带来的不利因素。相比传统氧气传感器，本发明专利技术有助于传感器对太阳能的有效利用，并且所用敏感材料具有优异的光电和气敏性能，其制备方法简单廉价、可大规模使用，具备环境友好性，有利于传感器产业化生产。

Sensor for integrating oxygen concentration and ultraviolet intensity detection function and its detection method

The invention relates to a sensor integrated with oxygen concentration and ultraviolet intensity detection function and a detection method thereof, belonging to the technical field of sensors. In the invention, two identical sensitive elements are respectively placed in an airtight chamber as the ultraviolet intensity detection unit, and a chamber connected with the outside world as the oxygen concentration detection unit. The ultraviolet intensity detection unit is used as the reference end of the oxygen concentration detection unit, and the outer circuit is connected through the control detection unit so as to enable the ultraviolet intensity detection unit to be used as the reference end of the oxygen concentration detection unit. The sensor can monitor the ultraviolet intensity and oxygen concentration of the external environment synchronously, quickly and in real time. The sensor of the invention adopts ultraviolet excitation to replace thermal excitation, realizes the device working at room temperature conditions, and avoids unfavorable factors caused by thermal excitation. Compared with the traditional oxygen sensor, the invention is helpful to the effective utilization of solar energy by the sensor, and the sensitive material used has excellent photoelectric and gas sensing properties. The preparation method is simple, cheap, and can be used on a large scale, and has environmental friendliness, which is beneficial to the industrialized production of the sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器及其检测方法
本专利技术属于传感器
，特别涉及一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器及其检测方法。
技术介绍
随着时代的变化和科学技术的进步，越来越多的交通工具如汽车、轮船、快速列车、飞机等频繁地出现在人类的生活中。然而，在带来方便的同时，人们也意识到身边存在着严重的安全隐患，尤其是密闭空间内的空气污染，直接危害着生命。氧气是人类维持生命的最基本要素，生活中每时每刻都离不开它。在干净的空气中，氧的含量约占21％，当其浓度过低时就会导致人呼吸困难，甚至死亡。由于人体内呼出大量的CO2气体会导致公共交通工具的密封室内氧气浓度降低，这使得通风换气必不可少，在此过程中氧气浓度的检测至关重要。目前，基于平面微叉指电极的金属氧化物半导体氧气传感器是空气中氧浓度检测领域的一个重要发展方向。但是高的工作温度使得这类传感器存在以下缺点：功耗大、不利于集成化、存在燃烧或爆炸等隐患。此外，太阳辐射中的紫外线对人体健康有很大的影响。虽然适量的太阳光沐浴可以杀菌和调节身体机能，但是过量、过强的紫外线会导致人体的各种皮肤或眼睛疾病，严重的会致癌。由此看来，紫外线防护也是人类出行需要考虑的因素。因此，同步、快速、实时监测密封室内氧气浓度和外界环境的紫外线强度尤为重要。市售的传感器未涉及氧气浓度和紫外线强度检测功能的集成，且已有的多功能传感器结构单一，只是采用电路将多个单功能传感器连接在一起，增加了复杂性和不稳定性。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术氧气传感器工作温度高的问题，提供一种能够在室温下工作的气体传感器及其检测方法，该气体传感器不仅能够检测环境中氧浓度，同时也能够检测紫外线强度，在集成氧浓度和紫外线强度检测的同时也消除了温度带来的干扰。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器，其特征在于，包括密闭的第一腔室以及与外界相通的第二腔室，所述第一腔室内作为紫外线强度检测单元，容纳有第一敏感元件和第一紫外激发光源；所述第二腔室作为氧气检测单元，容纳有第二敏感元件和第二紫外激发光源；所述第一腔室和第二腔室的顶部分别设置有紫外透过滤光元件，使得自然光中的紫外光通过紫外透过滤光元件照射在第一敏感元件和第二敏感元件上；所述第一敏感元件和第二敏感元件的敏感材料相同，所述敏感材料具有紫外光响应而且在紫外光照射下对氧气敏感；所述第一紫外激发光源和第二紫外激发光源与电源相连；所述第一敏感元件和第二敏感元件分别接入外端电路进行信号处理，实现第一敏感元件检测外界紫外线强度，第二敏感元件以紫外线强度检测单元作为参考检测外界氧气浓度。进一步的是，所述第一敏感元件和第二敏感元件的引脚分别作为第一信号输入端和第二信号输入端，所述第一信号输入端和第二信号输入端与信号输出端之间采用差动比例电路。进一步的是，所述敏感元件包括衬底、设于衬底表面的叉指电极以及设于叉指电极表面的敏感薄膜。作为优选方式，所述衬底为柔性衬底或者刚性衬底，所述柔性衬底的材料包括聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，所述刚性衬底包括氧化硅(SiO2)、硅(Si)、氧化硅/硅(SiO2/Si)硅(Si)或者氧化铝(Al2O3)。作为优选方式，所述叉指电极为金叉指电极。作为优选方式，所述敏感薄膜的材料通常使用诸如ZnO、TiO2等光催化剂，这类敏感材料不仅具有高的紫外光响应，而且在紫外光照射下对氧气也表现出优异的敏感性能，优选为纳米氧化锌材料，具体地，所述纳米氧化锌材料包括氧化锌(ZnO)纳米颗粒薄膜，其厚度为5～25μm，或者氧化锌(ZnO)纳米棒阵列薄膜，其厚度为1～3μm。根据本专利技术实施例，所述氧化锌(ZnO)纳米颗粒膜的制备优选旋涂工艺，具体包括如下步骤：步骤A：采用化学法制备得到纳米级ZnO颗粒；步骤B：将所述纳米级ZnO颗粒分散在无水乙醇中形成ZnO纳米颗粒分散液，其中ZnO纳米颗粒的浓度为1～6mg/ml；步骤C：采用旋涂工艺将所述ZnO纳米颗粒分散液涂在位于衬底上的叉指电极表面，形成ZnO纳米颗粒湿膜；步骤D：将形成ZnO纳米颗粒湿膜的敏感元件经干燥处理，得到ZnO纳米颗粒薄膜。作为一种实施方式，所述旋涂工艺的参数：先在低速500r/min条件下处理5秒；再在高速3000r/min条件下处理20秒；重复上述操作完成20～100次旋涂。作为一种实施方式，分散纳米级ZnO颗粒可采用超声分散；具体地，超声分散操作的超声功率为90Hz，超声时间为2小时。作为一种实施方式，所述干燥处理可将将形成ZnO纳米颗粒湿膜的敏感元件放入鼓风干燥箱；具体地，放入鼓风干燥箱中于60～80℃条件下干燥8～10小时。根据本专利技术实施例，所述氧化锌纳米棒阵列薄膜的制备优选水热法。具体包括如下步骤：步骤A：采用溶胶-凝胶法在衬底上的叉指电极表面形成ZnO种子层；步骤B：将形成所述ZnO种子层的敏感元件放入装有硝酸锌和六亚甲基四胺形成混合溶液的反应釜中；步骤C：对生长有ZnO纳米棒的敏感元件进行清洗、干燥，得到ZnO纳米棒阵列薄膜。作为一种实施方式，步骤A中采用10mM的醋酸锌乙醇溶液作为前驱液。作为一种实施方式，步骤B中混合溶液中硝酸锌的浓度为20～50mM，六亚甲基四胺的浓度为20～50mM，反应温度为93℃，反应时间为4.5小时。作为一种实施方式，步骤C中清洗、干燥的具体操作为：将生长有ZnO纳米棒的敏感元件依次置于去离子水和无水乙醇中清洗3～5次，并于60～80℃条件下干燥8～10小时，进一步的是，所述紫外光源的峰值波长与紫外透过滤光元件的峰值波长相对应，紫外光源和紫外透过滤光元件的峰值波长范围均为340～380nm，优选为365nm。根据本专利技术实施例，所述紫外激发光源采用紫外LED灯。进一步的是，所述第一腔室的内部采用高纯氮气密封。进一步的是，所述第二腔室上设置有与外界相通的进气口和出气口，外界气体进入腔室内得以实现气体中的氧气浓度；作为优选方式，本实施例采用设置有微网孔的外壳封装形成第二腔室，以确保大气的通入以及与粉尘的分离。另一方面本专利技术提供基于上述传感器的检测方法，当紫外线强度测试单元单独工作时，输出端信号为外界紫外线的强度；当紫外线强度测试单元和氧气检测单元共同工作时，输出端信号为外界氧气的浓度。具体地，当紫外线强度测试单元单独工作时，氧气检测单元接地，紫外线强度测试单元连接入外端电路；当紫外线强度测试单元和氧气检测单元共同工作时，氧气检测单元和紫外线强度测试单元均连接入外端电路。根据本专利技术实施例，所述外端电路包括第一信号输入端，第二信号输入端和信号输出端，所述第一信号输入端和第二信号输入端分别与第一敏感元件和第二敏感元件的引脚连接，所述第一信号输入端和第二信号输入端与信号输出端之间采用差动比例电路。本专利技术将两个相同的敏感元件分别置于一个密闭腔室作为紫外线强度检测单元，以及一个与外界相通的腔室作为氧气浓度检测单元，在天然光经紫外透过滤光元件照射或者紫外光源照射条件下，当紫外线强度测试单元单独工作时，输出端信号为外界紫外线的强度，当紫外线强度测试单元和气体检测单元共同工作时，输出端信号为外界氧气的浓度。本专利技术以紫外线强度检测单元作为氧气浓度检测单元的参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器，其特征在于，包括密闭的第一腔室以及与外界相通的第二腔室，所述第一腔室内作为紫外线强度检测单元，容纳有第一敏感元件和第一紫外激发光源；所述第二腔室作为氧气检测单元，容纳有第二敏感元件和第二紫外激发光源；所述第一腔室和第二腔室的顶部分别设置有紫外透过滤光元件，使得自然光中的紫外光通过紫外透过滤光元件照射在第一敏感元件和第二敏感元件上；所述第一敏感元件和第二敏感元件的敏感材料相同，所述敏感材料具有紫外光响应而且在紫外光照射下对氧气敏感；所述第一紫外激发光源和第二紫外激发光源与电源相连；所述第一敏感元件和第二敏感元件分别接入外端电路进行信号处理，实现第一敏感元件检测外界紫外线强度，第二敏感元件以紫外线强度检测单元作为参考检测外界氧气浓度。

【技术特征摘要】
1.一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器，其特征在于，包括密闭的第一腔室以及与外界相通的第二腔室，所述第一腔室内作为紫外线强度检测单元，容纳有第一敏感元件和第一紫外激发光源；所述第二腔室作为氧气检测单元，容纳有第二敏感元件和第二紫外激发光源；所述第一腔室和第二腔室的顶部分别设置有紫外透过滤光元件，使得自然光中的紫外光通过紫外透过滤光元件照射在第一敏感元件和第二敏感元件上；所述第一敏感元件和第二敏感元件的敏感材料相同，所述敏感材料具有紫外光响应而且在紫外光照射下对氧气敏感；所述第一紫外激发光源和第二紫外激发光源与电源相连；所述第一敏感元件和第二敏感元件分别接入外端电路进行信号处理，实现第一敏感元件检测外界紫外线强度，第二敏感元件以紫外线强度检测单元作为参考检测外界氧气浓度。2.根据权利要求1所述的一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器，其特征在于，所述第一敏感元件和第二敏感元件的引脚分别作为第一信号输入端和第二信号输入端，所述第一信号输入端和第二信号输入端与信号输出端之间采用差动比例电路。3.根据权利要求1所述的一种集成氧气浓度和紫外线强度检测功能的传感器，其特征在于，所述敏感元件包括衬底、设于衬底表面的叉指电极以及设于叉指电极表面的敏感薄膜。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢光忠，张秋平，陈春旭，杨铂汐，杜鸿飞，苏元捷，杜晓松，太惠玲，于贺，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51