一种半导体-固体电解质型双模式传感器及其在气体识别中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种半导体‑固体电解质型双模式传感器及其在气体识别中的应用，包括敏感电极、对电极、固体电解质和集流器，其中敏感电极和对电极中至少有一个为半导体氧化物气敏材料。在检测某一气体过程中，敏感电极或/和对电极本身可以作为半导体传感器来捕获响应参数，又可以捕获由敏感电极、对电极和固体电解质组成的固体电解质型传感器的响应参数，在原先单一固体电解质传感器上形成了传感器阵列，通过对检测结果进行分析可以快速、准确地识别气体，实现对气体的高可靠性探测。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体-固体电解质型双模式传感器及其在气体识别中的应用
本专利技术属于气体传感器探测领域，具体涉及一种半导体-固体电解质型双模式传感器及其在气体识别中的应用。
技术介绍
工业生产、室内装修及汽车尾气排放等会产生大量的有毒有害气体，这些污染物会对人体健康和环境造成巨大威胁，此外，某些气体可以作为早期疾病和早期火灾的特征气体帮助我们尽早预防疾病和阻止事故发生。因此，利用气体传感器来检测和识别气体在环境污染、医疗以及火灾预警等领域都是十分重要的。目前，气体传感器的开发主要集中在高可靠性，低功耗和低成本上。基于金属氧化物电阻、电化学、催化燃烧和场效应晶体管等原理的单输出参数传感器具有低成本、低功耗、小尺寸、连续实时检测气体浓度等优势。但是，由于单输出传感器通常交叉灵敏度高导致对各种气体的选择性较差，在存在干扰的情况下无法保持检测精度，造成误报和漏报等问题，限制了其在实际场景中的应用。为了解决单输出传感器选择性差的问题，通常将具有不同气敏性能的多个传感器组成传感器阵列，在检测过程中获得多个部分独立或完全独立的响应参数，从而提高气体识别能力。半导体型气体传感器和固体电解质型气体传感器是两类常见的气体传感器，其中半导体型气体传感器通常包括敏感材料、基底、集流电极和引线(参考文献[1]及图1a和图2a、2b)，固体电解质型气体传感器通常包括敏感电极、参比电极、固体电解质、集流电极和引线(参考文献[2]及图1b和图2c)，如果将两个传感器联合起来形成传感器阵列可以增强气体识别的能力，降低检测错误率，但这样简单联合而成的多传感器阵列涉及复杂的制备过程，成本较高且操作难度大，同时，复杂的结构不利于器件的小型化和集成化，此外，外界需要分别对传感器阵列的各部分提供工作温度，相对于单个传感器，其运行功耗大大增加。尤其是当需要联合的传感器数量较多时，这种高功耗、高成本、大尺寸的问题会更加明显。为了克服上述单输出传感器和传感器阵列的不足，本专利技术构造了半导体-固体电解质型双模式气体传感器，通过将半导体氧化物材料作为固体电解质型传感器的电极，在原来固体电解质型传感器的基础上形成多传感器阵列(图1c和图2d)，其中各单元共用或部分共用敏感材料、基底、集流电极和引线，降低了传感器的制作成本和运行功耗，同时缩小了器件的尺寸。半导体-固体电解质型双模式气体传感器在检测过程中对某一气体既有基于半导体氧化物电极的半导体响应信号，又有基于固体电解质型传感器的电化学响应信号，通过对检测结果进行处理和分析可以快速、准确地识别气体种类，降低检测错误率。[1]Barsan,N.；Koziej,D.；Weimar,U.,Metaloxide-basedgassensorresearch:Howto？Sens.ActuatorB-Chem2007,121(1),18-35.[2]Miura,N.；Sato,T.；Anggraini,S.A.；Ikeda,H.；Zhuiykov,S.,Areviewofmixed-potentialtypezirconia-basedgassensors.Ionics2014,20(7),901-925.
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种半导体-固体电解质型双模式传感器及其在气体识别中的应用。本专利技术以一种极为简便且低成本的方法构造了一种半导体-固体电解质型双模式传感器，双模式传感器在满足小型化的同时，形成了多传感器阵列，在检测气体过程中可以捕获基于半导体型和固体电解质型两种响应机制的多个参数，通过对检测结果处理和分析可以快速、准确地识别气体种类。本专利技术半导体-固体电解质型双模式传感器之一，包括敏感电极2、对电极3以及固体电解质4；所述敏感电极2和对电极3分别设置于固体电解质4的表面。此外，在敏感电极2上设置有两个集流器(集流器21和集流器22)，所述集流器和对电极3分别通过导线与信号采集仪连接，用来检测气体成分变化时敏感电极2的半导体响应信号变化以及敏感电极2和对电极3之间的电化学响应信号变化。所述敏感电极2为半导体氧化物气敏材料，包括但不局限于不同形貌的金属氧化物中的一种或几种的复合，比如BaaSr1-aCobFe1-bO3-δ(0≤a≤1，0≤b≤1，δ的取值受到材料组成、温度和气氛等影响)、La1-cSrcCr1-dFedO3-δ(0.1≤c≤0.6，0.3≤d≤0.7，δ的取值受到材料组成、温度和气氛等影响)、SnO2、ZnO等；所述敏感电极2设置为至少一个。所述对电极3为铂，或者为其他金属或金属氧化物；所述对电极3设置为至少一个。在本专利技术半导体-固体电解质型双模式传感器中，所述敏感电极和所述对电极构成一个单元电极组，在固体电解质的表面可以设置一个或多个单元电极组。每个单元电极组包括一个对电极和一个敏感电极，或者包括一个对电极和多个敏感电极。进一步地，单元电极组内敏感电极的数量越多或单元电极组的数量越多，双模式传感器对气体的识别效果越好，同时相对于相同识别效果的单一传感器简单联合而成的传感器阵列，结构简化和成本与功耗最小化的效果更明显。所述敏感电极2和对电极3的化学成分、形貌和大小可以相同也可以不同。进一步地，所述敏感电极2和对电极3在化学成分、形貌、大小上至少有一个不同。所述固体电解质包括但不局限于YSZ(8mol％Y2O3-ZrO2)、GDC(Ce0.8Gd0.2O1.9)、ESB(Er0.4Bi1.6O3)、NASICON(Na3Zr2Si2PO12)，市购或自制均可。进一步地，所述集流器为铂，也可以为其它金属。所述集流器设置在敏感电极2的任意位置，只需确保两个集流器均与敏感电极2接触且两个集流器相互之间不接触即可。进一步地，将同一单元电极组的敏感电极2上设置的两个集流器分别与电阻测试设备相连，用于检测气体成分变化时敏感电极2电阻R1的变化。进一步地，将同一单元电极组的敏感电极2上设置的两个集流器中的任意一个集流器和对电极3分别与电压测试设备相连，用于检测气体成分变化时敏感电极2和对电极3之间电压V的变化。如果单元电极组内包括一个对电极和多个敏感电极，除了上述信号，还包括不同敏感电极之间的电压变化(将不同敏感电极上的任一个集流器相连测试两个敏感电极间的电压)，实施例3中仅测试了4个信号，但实际上可以测试出5个信号，达到更好的识别效果。进一步地说，所述敏感电极为BaaSr1-aCobFe1-bO3-δ、所述对电极为铂时，对气体的检测和识别能力优于SnO2、ZnO或La1-cSrcCr1-dFedO3-δ为敏感电极，铂为对电极时组成的双模式传感器。当对电极为金属氧化物时，需要在对电极上设置一个集流器用来集流；当对电极为贵金属时，可以设置集流器，也可以不再额外设置集流器(图1是对电极为金属的情况)，其自身即可作为集流器使用。本专利技术半导体-固体电解质型双模式气体传感器的制备方法，以一个半导体氧化物敏感电极、铂对电极和铂集流器组成的一组双模式传感器为例，包括如下：步骤1：首先在固体电解质上涂刷间隔为1mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体-固体电解质型双模式传感器，其特征在于：/n所述半导体-固体电解质型双模式传感器包括敏感电极、对电极以及固体电解质；所述敏感电极和对电极分别设置于固体电解质的表面；此外，在敏感电极上设置有两个集流器，所述集流器和对电极分别通过导线与信号采集仪连接，用来检测气体成分变化时敏感电极的半导体响应信号变化以及敏感电极和对电极之间的电化学响应信号变化；/n所述敏感电极为半导体氧化物气敏材料，包括但不局限于不同形貌的金属氧化物中的一种或几种的复合，所述敏感电极2设置为至少一个；/n所述对电极3为铂，或者为其他金属或金属氧化物；所述对电极3设置为至少一个；/n所述固体电解质包括但不局限于YSZ、GDC、ESB或NASICON。/n

【技术特征摘要】
1.一种半导体-固体电解质型双模式传感器，其特征在于：
所述半导体-固体电解质型双模式传感器包括敏感电极、对电极以及固体电解质；所述敏感电极和对电极分别设置于固体电解质的表面；此外，在敏感电极上设置有两个集流器，所述集流器和对电极分别通过导线与信号采集仪连接，用来检测气体成分变化时敏感电极的半导体响应信号变化以及敏感电极和对电极之间的电化学响应信号变化；
所述敏感电极为半导体氧化物气敏材料，包括但不局限于不同形貌的金属氧化物中的一种或几种的复合，所述敏感电极2设置为至少一个；
所述对电极3为铂，或者为其他金属或金属氧化物；所述对电极3设置为至少一个；
所述固体电解质包括但不局限于YSZ、GDC、ESB或NASICON。


2.根据权利要求1所述的半导体-固体电解质型双模式传感器，其特征在于：
所述敏感电极和所述对电极构成一个单元电极组，在固体电解质的表面可以设置一个或多个单元电极组；每个单元电极组包括一个对电极和一个敏感电极，或者包括一个对电极和多个敏感电极。


3.根据权利要求2所述的半导体-固体电解质型双模式传感器，其特征在于：
将同一单元电极组的敏感电极上设置的两个集流器分别与电阻测试设备相连，用于检测气体成分变化时敏感电极电阻的变化；
将同一单元电极组的敏感电极上设置的两个集流器中的任意一个集流器和对电极分别与电压测试设备相连，用于检测气体成分变化时敏感电极和对电极之间电压的变化。


4.根据权利要求1所述的半导体-固体电解质型双模式传感器，其特征在于：
所述敏感电极为BaaSr1-aCobFe1-bO3-δ、La1-cSrcCr1-dFedO3-δ、SnO2、ZnO中的一种或几种。


5.权利要求1-4中所述的任一种半导体-固体电解质型双模式传感器的应用，其特征在于：将所述半导体-固体电解质型双模式传感器用于气体识别，具体是采集双模式传感器对标准气体的响应值并通过线性判别分析法建立线性判别函数并构建判别模型，将标准气体的种类与判别模型计算结果对比，获得判别模型预测正确率，对于未知种类的待测气体可以根据判别模型直接得出待测气体的种类，预测结果的正确率即为判别模型预测正确率；
所述标准气体包括2-乙基-己醇、邻苯二甲酸二辛酯、乙醇、丙酮、苯、甲苯、丙烷、甲烷、乙烯、氢气、氨气、二氧化氮、一氧化氮或一氧化碳。


6...

【专利技术属性】
技术研发人员：易建新，张红，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34