一种可同时检测湿度、温度和流量的多功能气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种可同时检测湿度、温度和流量的多功能气体传感器及其制备方法。本发明专利技术在单层传感器芯片两侧分别制备氧化石墨烯湿度传感器和微型加热器，并将微型加热器用于温度、流量检测。传感器针对湿度检测在室温下具有超高的灵敏度，快速的响应时间，宽广的检测范围和良好的重复性。传感器的微型加热器可分别用作冷态和热态的温度和流量传感器，具体可在26‑113℃的范围内进行精确的温度测量，并且可通过修改施加在微型加热器上的电压调整检测灵敏度。本发明专利技术制备的多功能气体传感器可用于人体检测，如口鼻呼吸等，具体可应用于物联网、环境监测、医疗保健等领域。

A multifunctional gas sensor and its preparation method for simultaneously detecting humidity, temperature and flow

【技术实现步骤摘要】
一种可同时检测湿度、温度和流量的多功能气体传感器及其制备方法
本专利技术属于气体传感器
，涉及一种具有湿度、温度和流量检测功能的气体传感器及其制备方法。
技术介绍
与具有单一功能的单个传感器相比，具有多种感测功能的传感设备具有能耗低，成本低，集成度高和体积小的优势。通常，多功能传感器是通过合理设计不同的感应层(用于感知刺激的每一层)或利用相同的材料进行多参数检测来实现的。目前石墨烯和金属纳米带等材料都可用于制备具有多层结构的多功能传感器，具有多层结构的多功能传感器通常使用不同的材料并采用复杂的制备程序来实现多功能感应成本较高且工艺复杂，为大范围应用及量产带来的困难。在单层传感器芯片上集成多种传感功能，将大大简化器件结构，降低加工难度，从而降低成本。然而使用相同的材料制备传感器并有效区分不同检测目标的检测结果是十分困难的，因此这种多功能传感器目前很少被报道与应用。气体的流量、湿度和温度与我们的日常生活、个人健康和工业生产密切相关，湿度和温度传感器可应用于环境监测和人体活动，个人保健，电子皮肤和软体机器人。到目前为止，尚无此类多功能传感器具有同时检测气体流量，湿度和温度的功能。蛇形金属微线的微加热器已被广泛用于改善气体传感器的响应性能，具体材料包括金属氧化物半导体，石墨烯，Pd等。对于在200℃以上环境中工作的金属氧化物气体传感器，微加热器的实际应用至关重要。与外部笨重的加热阶段相比，微型加热器具有体积小，功耗低，便携性强，加热和冷却过程快等独特优点。本专利技术在单层芯片中集成了湿度、温度和流量检测的传感器，并将其应用于多功能气体传感器，在物联网、环境监测、医疗保健等领域具有极大的应用潜力，并为多功能气体传感器提供一种新颖简便的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可同时检测湿度、温度和流量的多功能气体传感器。本专利技术制备的气体传感器包括基板、上电极层和下电极层，其中所述上电极层和下电极层分别位于所述基板的两侧，所述上电极层修饰有湿度传感器，所述下电极层修饰有微型加热器。所述湿度传感器包括基底层和电极层，其中基底层为Si/SiO2晶片，电极层为修饰了氧化石墨烯的Cr/Au层，其中氧化石墨烯薄板弥合了叉指电极表面的间隙。本专利技术制备的基于氧化石墨烯的湿度传感器在室温下具有高灵敏度特性，快速响应时间，较宽的检测范围，在高温下其灵敏度下降，因此温度对于湿度检测的影响不可忽略，通过微型加热器进行检测与调整。所述微型加热器为蛇形铂微线结构。四个微型加热器并联连接到外部直流电源，从而能够在低压下产生足够的热量；固定电阻与微型加热器和电路中的直流电压源串联；通过使用万用表测量电阻器的电压来获得串联电路中的电流。本专利技术设计的基于蛇形铂微线的微型加热器通过连接到相应的电路，对于热态下检测湿度和流量具有关键作用，同时在冷态下用作可靠的热敏电阻，可进行精确的温度测量。本专利技术的另一目的是提供一种可同时检测湿度、温度和流量的多功能气体传感器的制备方法。具体包括以下步骤：S1、基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备：通过Cr/Au的电子束蒸发，在Si/SiO2晶片上加工叉指电极；将0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液滴加到叉指电极表面，水蒸发后，得到基于氧化石墨烯的湿度传感器；S2、微型加热器的制备：使用微加工技术在Si/SiO2基板上与所述步骤S1制备的湿度传感器相对的位置制备微加热器阵列，具体为使用光致抗蚀剂旋涂在Si/SiO2晶片上进行光刻工艺，随后溅射Cr/Pt层，并进行剥离工艺，得到Si/SiO2晶片上的蛇形铂微线；之后采用另一种光刻技术，溅射Cr/Au层，并进行剥离工艺，在蛇形铂微线的两端制备Au接触焊盘，得到微型加热器。进一步，所述步骤S1中，所述Si/SiO2晶片中Si和SiO2的厚度分别为300μm和280nm。进一步，所述步骤S1中，所述Cr/Au层中Cr和Au的厚度分别为10nm和70nm。进一步，所述步骤S2中，所述光致抗蚀剂的厚度为4μm。进一步，所述Cr/Pt层中Cr和Pt的厚度分别为10nm和300nm。进一步，所述Cr/Au层中Cr和Au的厚度分别为10nm和300nm。如附图1所示，本专利技术本专利技术制备的多功能气体传感器的结构示意图，传感器利用氧化石墨烯的湿度感测特性制备湿度传感器，同时在单层芯片上制备蛇形铂微线作为温度和流量传感器。如附图2所示，为本专利技术制备的多功能气体传感器的微加热器的SEM图(a)及其放大SEM图(b)。其中铂微线的宽度远小于Au触点的宽度，因此铂微线占了电阻的绝大部分，从而控制了热量产生，而其他金属图案则充当了焊盘和电线。微加热器是在一层很薄的SiO2层表面制备的，SiO2层的导热系数很低，因此会产生局部的加热效应，而硅晶圆具有较高的热导率，因此，微加热器产生的热量可以迅速传递到基板对面的湿度传感器。通常，金属电阻在温度为T时的电阻可表示为下式：R＝R0[α(T-T0)+1]＝αR0T+(R0-αR0T0)(1)其中α为电阻器的电阻温度系数，R0为T0为20℃时的电阻值。如附图3所示，为本专利技术制备的多功能气体传感器的SEM图(a)以及其表面修饰的2D氧化石墨烯的SEM图(b)。2D氧化石墨烯具有亲水性质、含氧官能团和较大的比表面积，因此可作为湿度传感器材料。如附图4所示，为本专利技术制备的多功能气体传感器中的微加热器的温度和电流随电压变化的曲线图。图中可看出，随着施加在微加热器上的直流电压的增加，微加热器的温度和电路中的电流均单调增加，说明通过对电压进行调节可以方便地调节衬底温度。随着外加电压的增加，电流与电压曲线的斜率逐渐减小，这是由于高温下金属电阻增大所致，由此可得到微加热器的电阻与温度之间的线性拟合关系，有利于微加热器在实际温度传感中的应用。本专利技术制备的多功能气体传感器可同时或单一检测气体的湿度、温度和流量。如附图5所示，将本专利技术制备的多功能气体传感器置于8％到95％的RH范围内，测试其湿度检测性能。图中可看出，随着RH的增大，氧化石墨烯湿度传感器的电阻值也随之增大，当相对湿度从8％提高到95％时，氧化石墨烯的电导率提高了22倍，表明其灵敏度较高。如附图6所示，将本专利技术制备的多功能气体传感器置于35％RH环境中，并连续检测4个周期来检测其重复性。图中可看出，传感器的响应几乎恒定为365.8％，标准偏差为0.3％，可以忽略不计，表明其具有良好的重复性。如附图7所示，为本专利技术制备的多功能气体传感器在口鼻呼吸中的应用测试。在图7(a)中，志愿者用嘴吹传感器时，传感器的电导变化高达1220％，且重复测试结果基本稳定；在图7(b)中，根据图7(a)测试的一个周期内的动态响应曲线，分别推导出传感器响应时间和恢复时间(定义为90％信号变化所需的时间)短至3.0s和7.7s；而在图7(c)中，传感器测试人体鼻呼吸的响应数据，显示出明显的51％的重复响应。以上说明本专利技术制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括基板、上电极层和下电极层，其中所述上电极层和下电极层分别位于所述基板的两侧，所述上电极层修饰有湿度传感器，所述下电极层修饰有微型加热器。/n

【技术特征摘要】
1.一种多功能气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括基板、上电极层和下电极层，其中所述上电极层和下电极层分别位于所述基板的两侧，所述上电极层修饰有湿度传感器，所述下电极层修饰有微型加热器。


2.根据权利要求1所述的一种多功能气体传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括基底和电极层，其中所述基底为Si/SiO2晶片，所述电极层为修饰了氧化石墨烯的Cr/Au层。


3.根据权利要求1所述的一种多功能气体传感器，其特征在于，所述微型加热器为蛇形铂微线结构。


4.根据权利要求1所述的一种多功能气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于氧化石墨烯的湿度传感器的制备：通过Cr/Au的电子束蒸发，在Si/SiO2晶片上加工叉指电极；将0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液滴加到叉指电极表面，水蒸发后，得到基于氧化石墨烯的湿度传感器；
S2、微型加热器的制备：使用微加工技术在Si/SiO2基板上与所述步骤S1制备的湿度传感器相对的位置制备微加热器阵列，具体为使用光致抗蚀剂旋涂在Si/SiO2晶片上进行光刻工艺，随后溅射C...

【专利技术属性】
技术研发人员：奚亚男，胡淑锦，
申请(专利权)人：广州钰芯传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44