多维度多参量气体传感器及其制备方法、气体检测方法技术

本发明专利技术涉及气体传感器技术领域，公开了一种多维度多参量气体传感器及其制备方法。所述气体传感器包括：传感结构，用于针对多种气体产生对应的多路电信号；微加热结构，用于对所述传感结构提供不同的加热温度；信号检测系统，用于获取所述传感结构产生的多路电信号，根据所述电信号的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。本发明专利技术基于气体敏感材料的选择性、广谱性响应以及温度特征，在单个气体传感器上结合多种气敏传感材料实现复杂气氛检测，缩小整体器件的体积，提高集成度。提高集成度。提高集成度。

【技术实现步骤摘要】
多维度多参量气体传感器及其制备方法、气体检测方法


[0001]本专利技术涉及气体传感器
，具体而言，涉及一种多维度多参量气体传感器、一种多维度多参量气体传感器的制备方法以及一种气体检测方法。

技术介绍

[0002]气敏检测的手段多样，其中基于金属氧化物半导体传感原理的气体传感器既可以用于检测低至ppb级的有毒气体也可以用于检测百分比浓度的易燃易爆气体，得到了广泛应用。该气体传感器的原理是通过把气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换成电流、电压的输出信号，从而实现检测功能。具体来说，金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)这种气敏电阻材料是通过化学计量比偏离的杂质缺陷制成的，在合成气敏材料时会掺杂或者负载某些贵金属，目的是为了提高某种材料对某些气体组分的选择性或灵敏度。MOS材料分为P型半导体和N型半导体，例如，NiO、PbO等P型半导体，SnO2、WO3、Fe2O3、In2O3等N型半导体。金属氧化物在常温情况下是绝缘体，加工成金属氧化物半导体(MOS)后却能显示出气敏性质。当MOS材料接触待测气体时，由于其表面吸附气体致使它的电阻率发生明显的变化，解吸附后电阻率又恢复到初始状态。MOS材料对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附，在常温下主要是物理吸附，即气体与MOS材料表面的分子吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。化学吸附是指气体与MOS材料表面建立离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键力。如果给MOS材料加热使其温度升高，则化学吸附增加，在某一温度时达到最大值。若MOS材料的温度高于某个值时呈现为解吸附状态，物理吸附和化学吸附同时减小。例如，最常见的MOS材料氧化锡(SnO2)在常温下吸附某种气体，电阻率变化不大，此时是物理吸附；若保持气体浓度不变,给MOS材料加热，MOS材料的电导率随温度的升高而显著增加，尤其在100～500℃温度范围内电导率变化非常大。因此，MOS材料制成的气敏元件工作时需要的温度比室温高非常多，而且不同的MOS材料检测不同的气体组分、浓度需要多变的温度。
[0003]在复杂气氛环境的场景混合气体的种类可能有十几种，若要实现复杂气氛检测，则需要可同时检测多种气体的传感器件。目前，用于复杂气氛检测的传感器件通常采用多个相同的微加热芯片单元独立排列形成传感器阵列，多个微加热芯片单元分别为对应的气敏传感材料加热，以实现复杂气氛检测功能。由于传感器阵列的每个微加热芯片都需单独加热，多个微加热芯片需多个加热结构，因此器件整体的集成度不高，无法体现半导体气体传感器件体积小、能耗低的优势。上述气体传感器件的微加热芯片加热温度单一，一个微加热芯片对应加热一种气敏传感材料，无法实现在单个芯片上结合多种MOS传感材料在不同温度下进行交叉检测，在复杂气氛环境下的检测准确度较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种多维度多参量气体传感器及其制备方法，以实现在单个气体传感器上结合多种气敏传感材料实现复杂气氛检测，提高气体传感器的集成度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种多维度多参量气体传感器，包括：
[0006]传感结构，用于针对多种气体产生对应的多路电信号；
[0007]微加热结构，用于对所述传感结构提供不同的加热温度；
[0008]信号检测系统，用于获取所述传感结构产生的多路电信号，根据所述电信号的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。
[0009]进一步地，所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于所述测量电极的气体敏感膜，多个所述测量电极涂覆的气体敏感膜的材料不相同。
[0010]进一步地，所述微加热结构包括硅基衬底以及设置于所述硅基衬底上的加热层，所述加热层分为多个不同温度的加热区，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区。
[0011]进一步地，所述加热层包括加热电极，所述加热电极为多条截面积不同的加热电阻丝，多条所述加热电阻丝形成多个所述加热区。
[0012]进一步地，所述加热电阻丝的截面厚度为300nm-500nm，截面宽度为10μm-100μm，长度为1.5mm-20mm。
[0013]进一步地，多条所述加热电阻丝间隔排列；两相邻加热电阻丝之间的间距为所述加热电阻丝的截面宽度的2-5倍。
[0014]进一步地，每条加热电阻丝各自首尾相接呈圆环形，多条所述加热电阻丝在所述硅基衬底上呈梯度分布。
[0015]进一步地，所述加热层包括加热电极，所述加热电极为具有多个截面积不同的分段的加热电阻丝，所述加热电阻丝的多个分段形成多个所述加热区。
[0016]进一步地，所述气体敏感膜由金属氧化物纳米气敏材料制成，所述金属氧化物纳米气敏材料为SnO2、WO3、In2O3、NiO、MoO3、CuO中的任意一种或多种。
[0017]进一步地，所述加热层包括加热电极，所述加热电极分布于所述加热层的中心，多个所述测量电极分布于所述加热电极的四周。
[0018]进一步地，所述加热层的几何形状长度是所述加热电极所分布区域的几何形状长度的1-6倍，所述加热层的几何形状长度介于500μm-3000μm。
[0019]进一步地，所述加热电极由加热电阻丝环绕而成；所述加热电阻丝的厚度为300nm-500nm，宽度为10μm-100μm，长度为1.5mm-13mm；所述加热电阻丝的两环绕段之间的间距小于所述加热电阻丝的宽度的两倍。
[0020]进一步地，所述信号检测系统包括信号检测模块和信号处理模块；
[0021]所述信号检测模块用于获取所述测量电极产生的多路电信号，并测量所述电信号对应的电阻值；
[0022]所述信号处理模块用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。
[0023]进一步地，所述信号检测模块包括依次相连的模拟开关电路、驱动电路以及模数转换电路；
[0024]所述模拟开关电路与所述测量电极连接，用于获取所述测量电极产生的多路电信号，所述多路电信号为模拟电信号；
[0025]所述模数转换电路用于将所述模拟电信号转换为数字信号输出。
[0026]进一步地，所述信号处理模块包括：
[0027]单片机，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度，并输出所述气体的类别信号和浓度信号。
[0028]进一步地，所述信号检测系统还包括：
[0029]报警模块，与所述单片机连接，用于接收所述气体的类别信号和浓度信号，并在所述气体的浓度信号超过该气体浓度的预设阈值时产生报警信号。
[0030]进一步地，所述信号检测系统还包括：
[0031]无线通信模块，与所述单片机连接，用于无线传送所述气体的类别信号和浓度信号。
[0032]本专利技术第二方面提供一种多维度多参量气体传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0033]S1)在硅基衬底上制作加热层，形成微加热结构；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多维度多参量气体传感器，其特征在于，包括：传感结构，用于针对多种气体产生对应的多路电信号；微加热结构，用于对所述传感结构提供不同的加热温度；信号检测系统，用于获取所述传感结构产生的多路电信号，根据所述电信号的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。2.根据权利要求1所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于所述测量电极的气体敏感膜，多个所述测量电极涂覆的气体敏感膜的材料不相同。3.根据权利要求2所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述微加热结构包括硅基衬底以及设置于所述硅基衬底上的加热层，所述加热层分为多个不同温度的加热区，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区。4.根据权利要求3所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述加热层包括加热电极，所述加热电极为多条截面积不同的加热电阻丝，多条所述加热电阻丝形成多个所述加热区。5.根据权利要求4所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述加热电阻丝的截面厚度为300nm-500nm，截面宽度为10μm-100μm，长度为1.5mm-20mm。6.根据权利要求5所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，多条所述加热电阻丝间隔排列；两相邻加热电阻丝之间的间距为所述加热电阻丝的截面宽度的2-5倍。7.根据权利要求4所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，每条加热电阻丝各自首尾相接呈圆环形，多条所述加热电阻丝在所述硅基衬底上呈梯度分布。8.根据权利要求3所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述加热层包括加热电极，所述加热电极为具有多个截面积不同的分段的加热电阻丝，所述加热电阻丝的多个分段形成多个所述加热区。9.根据权利要求2所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述气体敏感膜由金属氧化物纳米气敏材料制成，所述金属氧化物纳米气敏材料为SnO2、WO3、In2O3、NiO、MoO3、CuO中的任意一种或多种。10.根据权利要求3所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述加热层包括加热电极，所述加热电极分布于所述加热层的中心，多个所述测量电极分布于所述加热电极的四周。11.根据权利要求10所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述加热层的几何形状长度是所述加热电极所分布区域的几何形状长度的1-6倍，所述加热层的几何形状长度介于500μm-3000μm。12.根据权利要求11所述的多维度多参量气体传感器，其特征在于，所述加热电极由加热电阻丝环绕而成；所述加热电阻丝的厚度为300nm-500nm，宽度为10μm-100μm，长度为1.5mm-13mm；所述加热电阻丝的两环绕段之间的间距小于所述加热电阻丝的宽度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，安飞，孙冰，王林，张树才，徐伟，胡适，梁文杰，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，
类型：发明
国别省市：