CN105973952B - 基于微悬臂投影的光电式气敏传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，包括不透明的矩形壳体(9)、封装在矩形壳体(9)底部的芯片和矩形壳体(9)侧壁上部固定的光源(8)；其中，所述的芯片依次由基底(1)、下绝缘材料层(2)、光敏材料层(3)、微悬臂结构层(5)组成；其特征在于：所述的微悬臂结构层(5)的中部和上绝缘材料层(4)的中部为贯通的矩形空腔；矩形空腔内的矩形质量块(7a)通过条状的微悬梁(7b)连接在微悬臂结构层(5)靠近光源(8)一侧的空腔壁上，构成异形微悬臂；且矩形质量块(7a)的表面沉积了一层气敏材料层(7c)。该种光电式气敏传感器灵敏度高、分辨率好、响应快、成本低、且使用寿命长。

Description

基于微悬臂投影的光电式气敏传感器
技术领域
本发明涉及气敏传感器技术领域，尤其涉及一种光电式气敏传感器。
背景技术
气敏传感器是一种特定气体浓度的电子器件，广泛应用于易燃/易爆/有毒气体泄漏监测、大气污染监测、室内环境监测、工艺过程控制、预报和自动控制、石油化工和医疗卫生等领域。目前半导体气敏传感器、石英谐振式气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、电化学反应式气敏传感器、光学式气敏传感器、热传导型气敏传感器、表面声波气敏传感器等七种类型。其中，光光学式气敏传感器包括光干涉式、红外吸收式、光纤化学材料式三种。
光干涉式气敏传感器的原理是利用待测气体与空气折射率的不同而产生干涉现象来实现气体浓度的检测，该类型的气敏传感器使用寿命长，但选择性差。红外吸收式气敏传感器则是利用不同气体的红外吸收峰不同来进行浓度检测，该类型的气敏传感器灵敏度高、可靠性好，但是体积大、成本高。光纤化学材料式气敏传感器是利用待测气体与敏感材料反映之后光学性质(吸光度、反射率和荧光强度等)的改变而实现气体浓度的检测，结构简单、响应快，但是重复性差、灵敏度低、成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，该种光电式气敏传感器灵敏度高、分辨率好、响应快、成本低、且使用寿命长。
本发明解决其发明目的，所采用的技术方案是：一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，包括不透明的矩形壳体、封装在矩形壳体底部的芯片、矩形壳体侧壁上部固定的光源、矩形壳体侧壁上开有进气口；其中，所述的芯片的组成是：基底、基底上表面沉积的下绝缘材料层、下绝缘材料层的上表面生长有光敏材料层、光敏材料层的上表面沉积有两个金电极和上绝缘材料层；上绝缘材料层的上表面生长有一层微悬臂结构层；其特征在于：
所述的微悬臂结构层的中部和上绝缘材料层的中部为贯通的矩形空腔；矩形空腔内的矩形质量块通过条状的微悬梁连接在微悬臂结构层靠近光源一侧的空腔壁上构成异形微悬臂；且矩形质量块的表面沉积了一层气敏材料层。
本发明的工作过程和原理是：
将本发明的光电式气敏传感器放置于待测气氛中，待测气体分子会与矩形质量块表面沉积的气敏材料发生特异性结合，使矩形质量块的重力增加并传递给细窄的微悬梁，使微悬梁向下弯曲；进而矩形质量块向下倾斜，其倾斜程度与待测气体的浓度正相关。在光源的照射下，异形微悬臂的矩形质量块在光敏材料层表面的阴影面积的大小会也随之而产生相应的变化，导致光敏材料层产生的光电流发生改变，光敏材料层通过金电极向外输出的电流发生改变。从而通过光电流的变化实现对待测气体浓度值的监测。
与现有光电式气敏传感器相比，本发明的有益效果：
一、本发明采用异形微悬臂结构，通过矩形质量块表面沉积的气敏材料与待测气体发生特异性结合而导致矩形质量块的重力不断增加，微悬梁弯曲、矩形质量块倾斜，进而使其在光敏材料层表面的阴影面积的大小产生变化，导致光敏材料层(3)产生的光电流发生改变，从而实现待测气体浓度的检测。这种基于微悬梁弯曲的待测气体微悬臂感应结构，其灵敏度高、重复性好、可靠性强，使用寿命长。
二、本发明的异形微悬臂结构由表面沉积灵敏材料的矩形质量块通过条状的微悬梁连接在微悬臂结构层的空腔壁上构成。其结构简单，体积小，加工容易、成本低，可批量化生产。
进一步，本发明的矩形质量块在微悬梁方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁方向的长度的1/2；矩形质量块的宽度大于等于条形微悬梁宽度的5倍；所述的光源的光斑中心与矩形质量块的几何中心的连线与水平面成40-50度的夹角。
矩形质量块在微悬梁方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁方向的长度的1/2，矩形质量块的宽度大于条形微悬梁宽度的的5倍。这样，保证了异形微悬臂的灵敏度和响应效率；而较大的受光面积，也提高了气体浓度的检测范围；同时还增大了特异性气体分子与气敏材料的接触面积，相同条件下，异形微悬臂所受重力更大，有利于提高检测的分辨率。
光源的光斑中心与矩形微悬梁和矩形质量块的连接中心的连线与水平面成40-50度的夹角，这对光敏材料层表面的阴影面积进行了二次放大(第一次放大：在光线在传播的过程中遇到遮挡物之后，会在投影面上产生一个阴影，阴影面积的放大程度与光源到遮挡物的距离和遮挡物到投影面的距离有关；第二次放大：当光线以一定的角度倾斜照射到遮挡物上时，其在水平面上的投影面积比垂直于水平面照射要大，此时投影面积的放大程度与光源与水平面的夹角成反比关系)，从而在更大程度上提高了气体浓度检测的灵敏度和分辨率。40-50度角既使阴影的放大倍数大，同时其检测范围也大。
进一步，本发明的气敏材料层为碳纳米管层、金属氧化物层、多孔硅层或有机聚合物气敏材料层。
进一步，本发明的基底由单晶硅、石英或碳化硅制成，或者由PDMS、PET或PI材料制成。
进一步，本发明的上绝缘材料层和下绝缘材料层均由二氧化硅或氮化硅形成，或者由PDMS、PET或PI材料形成。
进一步，本发明的光敏材料层为锑化铟红外光敏材料层、碲镉汞红外光敏材料层、氧化锌紫外光敏材料层。
附图说明
图1为本发明实施例的在微悬梁未弯曲(待测气体浓度为零)时的结构示意图。
图2为本发明实施例的在微悬梁弯曲(待测气体浓度不为零)时的结构示意图。
图1、图2中带箭头的线表示光源发出的光线，黑色的矩形部分表示光源的光线被矩形质量块遮挡后在光敏材料层表面形成的阴影。
具体实施方式
实施例
图1-2示出，本发明的一种具体实施方式是：一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，包括不透明的矩形壳体9、封装在矩形壳体9底部的芯片、矩形壳体9侧壁上部固定的光源8、矩形壳体9侧壁上开有进气口10；其中，所述的芯片的组成是：基底1、基底1上表面沉积的下绝缘材料层2、下绝缘材料层2的上表面生长有光敏材料层3、光敏材料层3的上表面沉积有两个金电极3a和上绝缘材料层4；上绝缘材料层4的上表面生长有一层微悬臂结构层5；其特征在于：
所述的微悬臂结构层5的中部和上绝缘材料层4的中部为贯通的矩形空腔；矩形空腔内的矩形质量块7a通过条状的微悬梁7b连接在微悬臂结构层5靠近光源8一侧的空腔壁上构成异形微悬臂；且矩形质量块7a的表面沉积了一层气敏材料层7c。
本例的矩形质量块7a在微悬梁7b方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁7b方向的长度的1/2；矩形质量块7a的宽度大于等于条形微悬梁7b宽度的5倍；所述的光源8的光斑中心与矩形质量块7a的几何中心的连线与水平面成40-50度的夹角。
本例的气敏材料层7c为碳纳米管层、金属氧化物层、多孔硅层或有机聚合物气敏材料层。
本例的基底1由单晶硅、石英或碳化硅制成，或者由PDMS、PET或PI材料制成。
本例的上绝缘材料层2和下绝缘材料层4均由二氧化硅或氮化硅形成，或者由PDMS、PET或PI材料形成。
本例的光敏材料层3为锑化铟红外光敏材料层、碲镉汞红外光敏材料层、氧化锌紫外光敏材料层。
本发明的光电式气敏传感器可以单个独立使用，也可多个并联形成传感器阵列使用。多个传感器构成阵列使用时，可成倍提高其检测灵敏度、分辨率和可靠性。

Claims (6)

1.一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，包括不透明的矩形壳体(9)、封装在矩形壳体(9)底部的芯片、矩形壳体(9)侧壁上部固定的光源(8)、矩形壳体(9)侧壁上开有进气口(10)；其中，所述的芯片的组成是：基底(1)、基底(1)上表面沉积的下绝缘材料层(2)、下绝缘材料层(2)的上表面生长有光敏材料层(3)、光敏材料层(3)的上表面沉积有两个金电极(3a)和上绝缘材料层(4)；上绝缘材料层(4)的上表面生长有一层微悬臂结构层(5)；其特征在于：
所述的微悬臂结构层(5)的中部和上绝缘材料层(4)的中部为贯通的矩形空腔；矩形空腔内的矩形质量块(7a)通过条状的微悬梁(7b)连接在微悬臂结构层(5)靠近光源(8)一侧的空腔壁上，构成异形微悬臂；且矩形质量块(7a)的表面沉积了一层气敏材料层(7c)。
2.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，其特征在于：所述的矩形质量块(7a)在微悬梁(7b)方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁(7b)方向的长度的1/2；矩形质量块(7a)的宽度大于等于条形微悬梁(7b)宽度的5倍；所述的光源(8)的光斑中心与矩形质量块(7a)的几何中心的连线与水平面成40-50度的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，其特征在于：所述的气敏材料层(7c)为碳纳米管层、金属氧化物层、多孔硅层或有机聚合物气敏材料层。
4.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，其特征在于：所述的基底(1)由单晶硅、石英或碳化硅制成，或者由PDMS、PET或PI材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，其特征在于：所述上绝缘材料层(4)和下绝缘材料层(2)均由二氧化硅或氮化硅形成，或者由PDMS、PET或PI材料形成。
6.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式气敏传感器，其特征在于：所述的光敏材料层(3)为锑化铟红外光敏材料层、碲镉汞红外光敏材料层、氧化锌紫外光敏材料层。
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