CN106841067B - 一种基于选择性波段的气体传感器及其检测方法 - Google Patents

一种基于选择性波段的气体传感器及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于选择性波段的气体传感器及其检测方法。本发明的一种基于选择性波段的气体传感器，包括金属氧化物传感器阵列和光源，光源是波长可变的光源，光源的波段包括180‑254nm波段、300‑320nm波段、340‑360nm波段、365‑400nm波段和500‑600nm波段，金属氧化物传感器阵列上设置有不同的氧化物敏感材料，在上述的某一波段的光的照射下，至少有一个金属氧化物传感器对其中一种待测气体的灵敏度较高，对其他待测气体的灵敏度较低。其有益效果是：同现有的传统加热式的气体传感器阵列技术相比，本发明一方面可以使传感器在室温工作，减少敏感材料的老化问题，提高传感器的稳定性，另一方面可以通过改变光波长，提高传感器对气体识别的选择性。

Description

一种基于选择性波段的气体传感器及其检测方法
技术领域
本发明涉及电子元器件领域，特别涉及一种基于选择性波段的气体传感器及其检测方法。
背景技术
随着环境的恶化，工业排气如石油化工、煤化工以及机动车辆成为严重危害人们的生存环境和身体健康。因此，实施监测和察觉环境有害气体的浓度成为一项重要的技术需求。基于金属氧化物半导体的气体传感器是其中一项重要的技术。但是，在通常情况下，采用金属氧化物半导体敏感材料的气体传感器需要在200-500摄氏度之间工作，带来了较大的能量需求，另外，还会导致敏感材料在高温过程中加速老化，最终导致器件性能恶化，缩短了使用寿命。近来，人们开始采用纳米材料技术和光辅助激活的办法，尽量降低传感器的工作温度至室温。其中光辅助激活性金属氧化物半导体气体传感器得到了越来越多的关注，该技术的优势在于可以采用仅有几个毫瓦级别的LED灯，实现传感器对气体的高灵敏度，同时减小了敏感材料的老化过程，期望可提高传感器的使用寿命。但是，与传统的高温工作的传感器一样，依然存在着选择性差和灵敏度低的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种选择性好、灵敏度高、稳定性好的基于选择性波段的气体传感器及其检测方法。本发明采用可变波长的光辅助增敏技术，采用金属氧化物集成式的微传感器阵列的方式，选取不同金属氧化物在不同波段对不同气体的灵敏度不同，来提高气体传感器的选择性；并可以使传感器在室温工作。
本发明提供的一种基于选择性波段的气体传感器，其技术方案为：
一种基于选择性波段的气体传感器，包括封装组件、金属氧化物传感器阵列和光源，封装组件将金属氧化物传感器阵列的氧化物敏感材料和光源封闭在一个密封空间内，封装组件包括进气口和出气口，光源是波长可变的光源或者波长范围固定不变的多个光源，光源的波段包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-365nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段，金属氧化物传感器阵列上设置有不同的氧化物敏感材料，在上述的某一波段的光的照射下，至少有一个金属氧化物传感器对某一种待测气体的灵敏度较高，对其他待测气体的灵敏度较低。
其中，金属氧化物传感器阵列的金属氧化物敏感材料是ZnO、TiO2、SnO2、CuO、In2O3、NiO或者WO3中的任一种。
其中，气体传感器包括第一金属氧化物传感器、第二金属氧化物传感器、第三金属氧化物传感器、第四金属氧化物传感器、第五金属氧化物传感器、第六金属氧化物传感器和第七金属氧化物传感器；
第一金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在300-320nm波段光照下对氨气具有高灵敏度的NiO；第二金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下对乙醇具有高灵敏度的SnO2；第三金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下对NO2具有高灵敏度的In2O3；第四金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下对甲醛具有高灵敏度的TiO2，第五金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下对丙酮具有高灵敏度的ZnO；第六金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下对H2S具有高灵敏度的CuO，第七金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下对氢气具有高灵敏度的WO3。
其中，气体传感器包括第八传感器和第九传感器，第八传感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下对氨气具有高灵敏度氧化还原石墨烯，或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物，第九传感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下对NO2具有高灵敏度氧化还原石墨烯，或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物。
其中，光源设置在二维平面上。
其中，光源是贴片式光源或者光珠式光源。
其中，气体传感器包括敏感材料是石墨烯的传感器。
其中，石墨烯是氧化还原石墨烯，或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物。
本发明还提供了一种基于选择性波段的气体传感器的检测方法，包括以下步骤：
(1)、选择具有不同的氧化物敏感材料的多个金属氧化物传感器，并选择包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-365nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段的光源；用于检测含有氨气、乙醇、丙酮、甲醛、NO2，H2S和氢气的混合气体；
(2)、将光源的波长调到300-320nm波段范围，根据NiO在300-320nm波段光照下第一金属氧化物传感器对氨气的响应信号值，检测氨气的浓度；
将光源的波长调到340-365nm波段范围，根据SnO2在340-365nm波段光照下第二金属氧化物传感器对乙醇的响应信号值，In2O3在340-365nm波段光照下第三金属氧化物传感器对NO2的响应信号值，检测乙醇和NO2的浓度；
将光源的波长调到365-400nm波段范围，根据TiO2在365-400nm波段光照下第四金属氧化物传感器对甲醛的响应信号值，ZnO在365-400nm波段光照下第五金属氧化物传感器对丙酮的响应信号值；检测甲醛和丙酮的浓度；
将光源的波长调到500-600nm波段范围，根据CuO在500-600nm波段光照下第六金属氧化物传感器对H2S的响应信号值，WO3在500-600nm波段光照下第七金属氧化物传感器对氢气的响应信号值，检测H2S和氢气的浓度；
(3)、最后，所有金属氧化物传感器在180-254nm的波长范围内将信号恢复回初始状态。
其中，将光源的波长调到500-600nm波段范围，根据氧化还原石墨烯在500-600nm波段光照下第八传感器对氨气的响应信号值，氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物在500-600nm波段光照下第九传感器对NO2的响应信号值；检测氨气和NO2的浓度，该检测值用来校核前面所测的氨气和NO2的含量。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明的一种基于选择性波段的气体传感器，通过采用变化的波长，从而达到提高传感器阵列选择性的目的。目前现有的技术主要是采用一种光源对一种金属氧化物，因此，每个传感器的选择性依然无法解决。而传统意义上采用加热的方式工作的传感器阵列可以改善选择性，但在高温下，敏感材料的微观结构的老化，会加速传感器性能的衰减，另外，传感器阵列对功耗的要求很高。而采用低功耗的可变光源，可以让传感器阵列中，至少有一个传感器在某一波段的光源下，对待分析气体有一个最高的信号，而对其他气体响应较低。这样通过改变光源的波长，让每个传感器在优化的波段照射下，分别对其中一种气体分子产生最大的信号，进而识别出待测气体中成分和浓度。
同现有的传统加热式的气体传感器阵列技术相比，本发明一方面可以使传感器在室温工作，减少敏感材料的老化问题，提高传感器的稳定性，另一方面可以通过改变光波长，提高传感器对气体识别的选择性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于选择性波段的气体传感器的数据采集模块结构示意图。
图2为本发明实施例的一种基于选择性波段的气体传感器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
参见图1和图2所示，本实施例提供的一种基于选择性波段的气体传感器，包括封装组件4、金属氧化物传感器阵列1和光源2，封装组件4将金属氧化物传感器阵列1的氧化物敏感材料3和光源2封闭在一个密封空间内，封装组件4包括进气口5和出气口6，光源2是波长可变的光源，本实施例仅使用一个波长可变的光源，可以减小传感器的体积，光源的波段(波长的取值范围)包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-365nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段，金属氧化物传感器阵列上设置有不同的氧化物敏感材料，在上述的某一波段的光的照射下，至少有一个金属氧化物传感器对某一种待测气体的灵敏度较高(对气体分子产生最大的信号)，对其他待测气体的灵敏度较低，而其他金属氧化物传感器对所有待测气体的灵敏度较低。本实施例中，灵敏度较高和灵敏度较低指的是：灵敏度较高的信号值为灵敏度较低的信号值的三倍以上。这样通过改变光源的波长，让每个传感器在优化的波段照射下，分别对其中一种气体分子产生最大的信号，进而识别出待测气体中的成分和浓度。同现有的传统加热式的气体传感器阵列技术相比，本发明一方面可以使传感器在室温工作，减少敏感材料的老化问题，提高传感器的稳定性，另一方面可以通过改变光波长，提高传感器对气体识别的选择性。
参见图1所示，光源2设置在二维平面上。光源2是贴片式光源或者光珠式光源。金属氧化物传感器阵列1的金属氧化物敏感材料是ZnO、TiO2、SnO2、CuO、In2O3、NiO或者WO3中的任一种。气体传感器还包括敏感材料是石墨烯的传感器，石墨烯可以是氧化还原石墨烯，还可以是氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物。
优选地，本实施例的气体传感器用于检测含有氨气、乙醇、丙酮、甲醛、NO2，H2S和氢气的混合气体，气体传感器包括第一金属氧化物传感器、第二金属氧化物传感器、第三金属氧化物传感器、第四金属氧化物传感器、第五金属氧化物传感器、第六金属氧化物传感器和第七金属氧化物传感器；
第一金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在300-320nm波段光照下对氨气具有高灵敏度的NiO。NiO对待测气体中的氨气有最大的响应值，但对乙醇、丙酮、甲醛、NO2、H2S、氢气响应信号相对较低，其他敏感材料对氨气也有响应，但响应信号都相对较低，因此根据NiO在300-320nm波段光照下第一金属氧化物传感器对氨气的响应信号值，检测氨气的浓度。
第二金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下对乙醇具有高灵敏度的SnO2。第三金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下对NO2具有高灵敏度的In2O3。SnO2对乙醇的响应信号值最高，In2O3敏感材料会对NO2有最高的响应信号值，对其他气体成分响应较低，根据SnO2在340-365nm波段光照下第二金属氧化物传感器对乙醇的响应信号值，In2O3在340-365nm波段光照下第三金属氧化物传感器对NO2的响应信号值；检测乙醇和NO2的浓度。
第四金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下对甲醛具有高灵敏度的TiO2，第五金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下对丙酮具有高灵敏度的ZnO，依次将波长调到365-400nm区间，TiO2对甲醛响应权重最高，ZnO对丙酮响应权重最高；根据TiO2在365-400nm波段光照下第四金属氧化物传感器对甲醛的响应信号值，ZnO在365-400nm波段光照下第五金属氧化物传感器对丙酮的响应信号值；检测甲醛和丙酮的浓度。
第六金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下对H2S具有高灵敏度的CuO，第七金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下对氢气具有高灵敏度的WO3，当光源调至500-600nm范围内，CuO对H2S的响应信号权重值最高，WO3对氢气表现出最高的响应信号值，根据CuO在500-600nm波段光照下第六金属氧化物传感器对H2S的响应信号值，WO3在500-600nm波段光照下第七金属氧化物传感器对氢气的响应信号值；检测H2S和氢气的浓度。
气体传感器包括第八传感器，第八传感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下对氨气具有高灵敏度的氧化还原石墨烯或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物，第九传感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下对NO2具有高灵敏度的氧化还原石墨烯或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物。当光源调至500-600nm范围内，氧化还原石墨烯及其复合物敏感材料对NO2和氨气均表现出高响应信号值，根据氧化还原石墨烯或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物在500-600nm波段范围对氨气和NO2的响应信号值来检测氨气和NO2的浓度，该检测值用来进一步确定校核前面所测的氨气和NO2的含量；可减小并消除误差。
参见图1和图2所示，待测混合气体从进气口进入封装组件内，然后调节光源到相应的波段，气体分子被封装组件中的金属氧化物传感器所吸附，产生电信号，生成的电信号经处理加工与传输，然后通过模式识别系统作出判断，并将采集的信号传送到具有分析、判断、智能解释功能的数据处理分析器、智能解释器和知识库。
优选地，参见图2所示，可以以单片机作为控制核心，金属氧化物传感器阵列对待测混合气体进行信号采集，然后通过运算放大器构成的电压跟随电路，再经过模数转换器将采集的模拟信号数字化，输入单片机对信号进行数字滤波、降噪等处理，再通过串行通信接口与PC机进行通讯连接，将数字化的信号传输到PC机上，由单片机现场自动控制检测，进而识别出待测气体中的成分和浓度。
本实施例还提供了上述的基于选择性波段的气体传感器的检测方法，包括以下步骤：
(1)、选择具有不同的氧化物敏感材料的多个金属氧化物传感器，并选择包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-365nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段的光源；用于检测含有氨气、乙醇、丙酮、甲醛、NO2，H2S和氢气的混合气体；
(2)、将光源的波长调到300-320nm波段范围，根据NiO在300-320nm波段光照下第一金属氧化物传感器对氨气的响应信号值，检测氨气的浓度；
将光源的波长调到340-365nm波段范围，根据SnO2在340-365nm波段光照下第二金属氧化物传感器对乙醇的响应信号值，In2O3在340-365nm波段光照下第三金属氧化物传感器对NO2的响应信号值，检测乙醇和NO2的浓度；
将光源的波长调到365-400nm波段范围，根据TiO2在365-400nm波段光照下第四金属氧化物传感器对甲醛的响应信号值，ZnO在365-400nm波段光照下第五金属氧化物传感器对丙酮的响应信号值；检测甲醛和丙酮的浓度；
将光源的波长调到500-600nm波段范围，根据CuO在500-600nm波段光照下第六金属氧化物传感器对H2S的响应信号值，WO3在500-600nm波段光照下第七金属氧化物传感器对氢气的响应信号值，检测H2S和氢气的浓度；
(3)、最后，所有金属氧化物传感器在180-254nm的波长范围内将信号恢复回初始状态。
优选地，将光源的波长调到500-600nm波段范围，根据氧化还原石墨烯在500-600nm波段光照下第八传感器对氨气的响应信号值，氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物在500-600nm波段光照下第九传感器对NO2的响应信号值；检测氨气和NO2的浓度，该检测值用来校核前面所测的氨气和NO2的含量。
实施例2
本实施例的技术方案与实施例1的区别仅仅是光源设置的不同，本实施例仅就不相同的部分进行描述，相同的部分不再赘述。本实施例的光源是波长范围固定不变的多个光源，将可变光源分开，不再连续变化，而是分别做成各波长范围的固定不变光源，重复气体传感器阵列单元，然后组合起来。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种基于选择性波段的气体传感器，包括封装组件、金属氧化物传感器阵列和光源，所述封装组件将金属氧化物传感器阵列的氧化物敏感材料和光源封闭在一个密封空间内，封装组件包括进气口和出气口，其特征在于：光源是波长可变的光源或者波长范围固定不变的多个光源，光源的波段包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-365nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段，金属氧化物传感器阵列上设置有不同的氧化物敏感材料，在上述的某一波段的光的照射下，至少有一个金属氧化物传感器对某一种待测气体的灵敏度较高，对其他待测气体的灵敏度较低。
2.根据权利要求1所述的一种基于选择性波段的气体传感器，其特征在于：金属氧化物传感器阵列的金属氧化物敏感材料是ZnO、TiO2、SnO2、CuO、In2O3、NiO或者WO3中的任一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于选择性波段的气体传感器，其特征在于：所述气体传感器包括第一金属氧化物传感器、第二金属氧化物传感器、第三金属氧化物传感器、第四金属氧化物传感器、第五金属氧化物传感器、第六金属氧化物传感器和第七金属氧化物传感器；
第一金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在300-320nm波段光照下对氨气具有高灵敏度的NiO；第二金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下对乙醇具有高灵敏度的SnO2；第三金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下对NO2具有高灵敏度的In2O3；第四金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下对甲醛具有高灵敏度的TiO2，第五金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下对丙酮具有高灵敏度的ZnO；第六金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下对H2S具有高灵敏度的CuO，第七金属氧化物传感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下对氢气具有高灵敏度的WO3。
4.根据权利要求3所述的一种基于选择性波段的气体传感器，其特征在于：所述气体传感器包括第八传感器和第九传感器，第八传感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下对氨气具有高灵敏度氧化还原石墨烯，或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物；第九传感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下对NO2具有高灵敏度氧化还原石墨烯，或者氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物。
5.根据权利要求1所述的一种基于选择性波段的气体传感器，其特征在于：所述光源设置在二维平面上。
6.根据权利要求1所述的一种基于选择性波段的气体传感器，其特征在于：所述光源是贴片式光源或者光珠式光源。
7.一种基于选择性波段的气体传感器的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、选择具有不同的氧化物敏感材料的多个金属氧化物传感器，并选择包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-365nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段的光源；用于检测含有氨气、乙醇、丙酮、甲醛、NO2，H2S和氢气的混合气体；
(2)、将光源的波长调到300-320nm波段范围，根据NiO在300-320nm波段光照下第一金属氧化物传感器对氨气的响应信号值，检测氨气的浓度；
将光源的波长调到340-365nm波段范围，根据SnO2在340-365nm波段光照下第二金属氧化物传感器对乙醇的响应信号值，In2O3在340-365nm波段光照下第三金属氧化物传感器对NO2的响应信号值，检测乙醇和NO2的浓度；
将光源的波长调到365-400nm波段范围，根据TiO2在365-400nm波段光照下第四金属氧化物传感器对甲醛的响应信号值，ZnO在365-400nm波段光照下第五金属氧化物传感器对丙酮的响应信号值；检测甲醛和丙酮的浓度；
将光源的波长调到500-600nm波段范围，根据CuO在500-600nm波段光照下第六金属氧化物传感器对H2S的响应信号值，WO3在500-600nm波段光照下第七金属氧化物传感器对氢气的响应信号值，检测H2S和氢气的浓度；
(3)、最后，所有金属氧化物传感器在180-254nm的波长范围内将信号恢复回初始状态。
8.根据权利要求7所述的一种基于选择性波段的气体传感器的检测方法，其特征在于：将光源的波长调到500-600nm波段范围，根据氧化还原石墨烯在500-600nm波段光照下第八传感器对氨气的响应信号值，氧化还原石墨烯和金属氧化物的复合物在500-600nm波段光照下第九传感器对NO2的响应信号值；检测氨气和NO2的浓度，该检测值用来校核前面所测的氨气和NO2的含量。
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