CN109470748A - 一种离化式气体报警器及其使用方法 - Google Patents

一种离化式气体报警器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离化式气体报警器及其使用方法，该离化式气体报警器包括气体传感模块和电路模块组成，其中气体传感模块包括基底、绝缘层、形成在基底的一维纳米结构以及设置在其上方的、由绝缘层隔离的纳米级对电极，电路模块包括驱动电路和对电极检测电路。气体传感模块在驱动电路作用下，在异常情况下将于一维纳米结构和纳米级对电极之间产生放电电流，破坏对电极结构并被检测电路感知而获取异常状态信息。该离化式气体报警器气体传感模块具有微型化、低电压低功耗运行、高灵敏度等优势，电路模块简单、稳定、高效，全系统可集成度高。

Description

一种离化式气体报警器及其使用方法
技术领域
本发明涉及气体传感技术领域，尤其涉及一种离化式气体报警器及其使用方法。
背景技术
基于等离子体技术的离化式气体传感器件克服了传统化学气体传感器的诸多缺点，比如吸附物质的退化、响应时间长、恢复时间长、工作条件需要高温等。作为一种基于气体电子学物理效应的气体传感结构，主要利用了不同气体在特定温度、气压、湿度条件下具有各自独特的放电起始电压的特性。在气体放电时，连接于传感结构上的驱动电路中电流将发生跃升，在外界加载电压维持的条件下，电极间气体将表现为“自持放电”，即电流将保持在一个较高的水平。
传统的离化式气体传感结构主要利用宏观尺度的电极结构与电极间隙，因此为达到引起气体放电的电场需要加载高达万伏量级的电压，限制了该技术的推广。通过与纳米技术的结合，目前的等离子体传感器工作电压已能降低至百伏级以下。然而，目前的研究主要集中在通过纳米材料的尖端尺度效应进一步降低工作电压，电学信号中也主要利用放电电压进行气体种类的区分，对放电电流的研究和利用很少；进一步地，所产生的放电电流会对发挥尺度效应的纳米线产生破坏，因此在等离子体传感器的设计中，器件方面主要尽量采用更稳定的电极材料已经受住强电流的冲击，工作模式方面主要在放电起始瞬时即切断电源，分别从结构和电路来保护纳米电极。
事实上，气体放电过程中局部空间产生的电流也包含了气体的信息，尤其是在活泼气体混合于稳定基底气体的条件下，电流大小与活泼气体组分的浓度有很强的相关性。传统的气体传感器仅仅利用了电压作为传感信号，需要离线处理或复杂的在线工具提取气体信息，不适用于需要快速响应气体环境突变的应用场合，比如气体输运管道的易泄漏位置监测。
发明内容
本发明提出了一种离化式气体报警器及其使用方法，以有效地对气体状态进行监测，并在异常气体状态下发出报警信号。
为了解决上述问题，本发明提供一种离化式气体报警器，包括气体传感模块及电路模块，其中：
所述气体传感模块包括：
基底；
一维纳米结构阵列，由所述基底的特定区域进行刻蚀形成，所述一维纳米结构阵列包括若干一维纳米结构；
绝缘层，形成在所述特定区域外的所述基底上；
纳米对电极，设置在所述一维纳米结构阵列的上方，且由所述绝缘层支撑；
所述电路模块包括：
驱动电路，包括串联连接的驱动电源与第一电流表，所述驱动电路的第一端连接所述纳米对电极，其第二端连接所述基底，所述驱动电路用于在所述纳米对电极与所述一维纳米结构阵列之间形成电场，并用于确定所述离化式气体报警器的工作电压；
对电极检测电路，包括串联连接的检测电源与第二电流表，所述对电极检测电路的两端分别连接所述纳米对电极的两端，用于对所述纳米对电极中流过的电流进行检测，若检测到的电流值比初始电流值降低超过50％以上，则所述离化式气体报警器发出报警信号。
在本发明的一个实施例中，所述基底的表面设置有第一平面金属电极，所述第一平面金属电极与所述纳米对电极的一端电性连接，且所述第一平面金属电极通过第一信号线与所述驱动电路的第一端电性连接；
所述驱动电路的第二端通过第二信号线与所述基底电性连接，且所述第二信号线与所述基底形成欧姆接触；
所述基底的表面还设置有第二平面金属电极，所述第二平面金属电极与所述纳米对电极的另一端电性连接，所述对电极检测电路的一端通过第三信号线与所述第一平面金属电极电性连接，所述对电极检测电路的另一端通过第四信号线与所述第二平面金属电极电性连接。
在本发明的一个实施例中，所述纳米对电极在一个维度或两个维度上的尺寸小于100nm。
在本发明的一个实施例中，所述一维纳米结构与所述纳米对电极之间的间距不大于1微米。
在本发明的一个实施例中，所述纳米对电极的材料为硅纳米线、III-V族纳米线的任一种。
在本发明的一个实施例中，所述一维纳米结构的材料为硅或氧化锌。
在本发明的一个实施例中，所述基底为导电硅材料；所述绝缘层为二氧化硅。
在本发明的一个实施例中，所述第二电流表设置有通讯接口。
同时，本发明还提供了一种上述的离化式气体报警器的使用方法，包括以下步骤：
S1：确定所述气体报警器的工作驱动电压；
S2：将所述气体报警器设置于工作气体环境；
S3：设置所述对电极检测电路中的检测电源输出恒定电压，通过所述第二电流表对电流进行监测；
S4：若所述第二电流表检测到的电流值比初始电流值降低超过50％以上，则所述离化式气体报警器发出报警信号。
在本发明的一个实施例中，所述步骤S1进一步包括：
S11：提供一基准气体环境；
S12：将所述离化式气体报警器置于该基准气体环境中，设置所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录基准放电电压并关闭所述驱动电源；
S13：提供一异常情况下的气体环境；
S14：将所述离化式气体报警器置于该异常情况下的气体环境中，设置所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录异常放电电压并关闭所述驱动电源；
S15：将所述气体报警器的工作驱动电压确定为电压值大于异常放电电压且小于基准放电电压。
在本发明的一个实施例中，在所述步骤S14之后与步骤S15之前还包括对重复步骤S11-S14多次，对工作驱动电压进行校准。
在本发明的一个实施例中，所述工作驱动电压为异常放电电压和基准放电电压的平均值。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，存在以下的优点和积极效果：
1)本发明提供的离化式气体报警器，利用一维纳米材料极大地降低了工作电压和功耗，使得传感器件与外界电路，尤其是逻辑电路的集成整合成为可能。
2)本发明提供的离化式气体报警器利用了现有离化式气体传感器忽视的放电电流信号，并将之作用于对电极材料，实时地快速响应了环境气体的变化。
3)本发明提供的离化式气体报警器在重量、材料、空间等方面要求极低，非常适用于网络化的布阵，尤其适用于物联网的应用场景。
4)本发明提供的离化式气体报警器，对电极检测电路提供的通讯接口能进一步扩展其应用范围。
当然，本发明的技术方案并不一定要同时满足上述技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的离化式气体报警器的正视示意图；
图2是本发明实施例提供的离化式气体报警器的顶视示意图。
图3是本发明实施例提供的气体离化电压-电流伏安曲线。
图4是本发明实施例提供的气体离化电流破坏的纳米对电极实物图。
图中：1-基底，2-绝缘层，3-一维纳米结构，4-纳米对电极，5-第一平面金属电极，6-第二平面金属电极，21-驱动电源，22-第一电流表，23-第一信号线，24-第二信号线，31-检测电源，32-第二电流表，33-第三信号线，34-第四信号线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的离化式气体报警器及其使用方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在提出本本发明之前，本申请的发明人对目前可能的离化式气体传感器进行了充分的研究，具体研究如下：
1)已报道的离化式气体传感器，面临技术上的两难，如果利用纳米尺度的材料作为电极，将无法保证在放电电流冲击下长期工作的稳定性；如果采用结构稳定的宏观尺度的电极，则很难将工作电压降低至适于工业或民用的安全水平。
2)为了从电路上保护微观尺度的电极结构，需要对气体离化信号，尤其是电流的瞬时变化即时准确监测并控制驱动电压的快速关闭，电路设计在信噪比、工作频率、稳定性和复杂程度上的技术困难将急剧提高。
3)气体离化的物理过程和电学信号十分复杂，然而在很多应用场合只需要判断可预知的气体环境突变是否发生，在这样的情况下，通过气体离化信号的识别来进行气体成分的分析既无效率也无必要，亟待一种实时的、高效的监测手段。
基于上述研究，本申请的发明人创造性地设计了一种离化式气体报警器，请参考图1，如图1所示，该离化式气体报警器包括气体传感模块及电路模块，其中气体传感模块包括：基底1，由所述基,1的特定区域进行刻蚀形成一维纳米结构阵列，该一维纳米结构阵列包括若干一维纳米结构3；在所述特定区域外的所述基底1上形成有绝缘层2；在所述一维纳米结构阵列的上方设置有由所述绝缘层2支撑的纳米对电极4。
所述电路模块包括驱动电路以及对电极检测电路，该驱动电路包括串联连接的驱动电源21与第一电流表22，所述驱动电路的第一端连接所述纳米对电极4，其第二端连接所述基底1，所述驱动电路用于在所述纳米对电极4与所述一维纳米结构阵列之间形成电场，并用于确定所述离化式气体报警器的工作电压。该对电极检测电路包括串联连接的检测电源31与第二电流表32，所述对电极检测电路的两端分别连接所述纳米对电极4的两端，用于对所述纳米对电极4中流过的电流进行检测，若检测到的电流值比初始电流值降低超过50％以上，则所述离化式气体报警器发出报警信号。
本发明实施例提供的离化式气体报警器通过驱动电路确定所述离化式气体报警器的工作电压，并通过对电极检测电路来监测气体传感模块的工作状态，当工作状态发生异常时发出报警。
作为一优选实施例，如图2所示，所述基底1的表面设置有第一平面金属电极5，所述第一平面金属电极5与所述纳米对电极4的一端电性连接，且所述第一平面金属电极5通过第一信号线23与所述驱动电路的第一端电性连接；所述驱动电路的第二端通过第二信号线24与所述基底1电性连接，且所述第二信号线24与所述基底1形成欧姆接触；所述基底1的表面还设置有第二平面金属电极6，所述第二平面金属电极6与所述纳米对电极4的另一端电性连接，所述对电极检测电路的一端通过第三信号线33与所述第一平面金属电极5电性连接，所述对电极检测电路的另一端通过第四信号线34与所述第二平面金属电极6电性连接。
并且作为一优选实施例，所有的平面金属电极材料为表面沉积有金薄膜的铬或者钛，保证了电极的导电性、稳定性以及与基底的结合力。
其中，所述纳米对电极在一个维度或两个维度上的尺寸小于100nm，该尺寸很小，因而对空间的要求很低。
所述一维纳米结构3与所述纳米对电极4之间的间距不大于1微米，可保证在低电压驱动的情况下电极间的电场都达到很高的水平，比如1伏特的情况下，在一维纳米结构的尺度效应下，局部电场至少在107伏特/米的水平。
其中，所述纳米对电极4的材料为硅纳米线、III-V族纳米线的任一种。也就是从顶视图来看，纳米对电极采用长径比很高的材料，并且不会阻碍气体流经纳米对电极4与一维纳米结构3。
其中，所述一维纳米结构3的材料为硅或氧化锌，前者可采用刻蚀工艺在硅基底中直接形成或者利用气相生长法形成，后者需要在基底形成空腔后，利用气相或液相法生成。
作为一优选实施方式，所述基底1为导电硅材料，即电阻率在几十欧姆·厘米级别以下，提供了与逻辑电路集成制造的可能。所述绝缘层2为二氧化硅，可采用直接氧化法或沉积法在硅基底表面制备。
作为一优选实施方式，所述第二电流表32设置有通讯接口，从而使得纳米对电极4是否被气体离化电流所熔断的状态将可以实时传输，方便了所述离化式气体报警器的阵列化和网络化。
同时，本发明实施例还提供了一种上述的离化式气体报警器的使用方法，包括以下步骤：
S1：确定所述气体报警器的工作驱动电压；该步骤具体包括：
S11：提供一基准气体环境；
S12：将所述离化式气体报警器置于该基准气体环境中，设置所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录基准放电电压并关闭所述驱动电源；其中电流跃升代表着纳米对电极4与一维纳米结构3之间发生了气体放电。一旦发生了气体放电，电流会出现跃升进而不受控制，后续极易导致纳米对电极4烧断，因而在发现电流跃升时及时关闭驱动电源，以确保在该阶段保护纳米对电极4。
S13：提供一异常情况下的气体环境；
S14：将所述离化式气体报警器置于该异常情况下的气体环境中，设置所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录异常放电电压并关闭所述驱动电源；同样的，其中电流跃升代表着纳米对电极4与一维纳米结构3之间发生了气体放电。因而在发现电流跃升时及时关闭驱动电源，以确保在该阶段保护纳米对电极4。并且由于异常情况下的气体环境通常是存在一些活性气体，而活性气体更容易在纳米对电极4与一维纳米结构3之间发生气体放电，因而，异常放电电压的大小通常都是小于基准放电电压。
S15：将所述气体报警器的工作驱动电压确定为电压值大于异常放电电压且小于基准放电电压。
其中，在优选实施例中，需要对骤S11-S14重复多次，以对工作驱动电压进行校准。
S2：将所述气体报警器设置于工作气体环境；
S3：设置所述对电极检测电路中的检测电源输出恒定电压，通过所述第二电流表对电流进行监测；
S4：若所述第二电流表检测到的电流值比初始电流值降低超过50％以上，则所述离化式气体报警器发出报警信号。
其中，在本发明的一个实施例中，所述工作驱动电压为异常放电电压和基准放电电压的平均值。
本发明实施例提供的离化式气体报警器广泛应用于气体监测领域，例如可用于监测气体是否存在泄漏，或者用于监测废气排放等等。
本使用方法的原理为：在应用本发明的离化式气体报警器时，通常是处于特定的气体环境中，也即正常的气体工作环境(基准气体环境)是已知的，可能存在的异常气体环境也是可以预测的(因为一旦应用到某种环境后，该环境中的气体种类是特定的)；从而可根据基准气体环境下的基准放电电压和异常气体环境下的异常放电电压来设定气体报警器的工作驱动电压，并且在后续工作中保持该工作驱动电压不变，通过对电极检测电路来监测纳米对电极4的状态，具体地设置所述对电极检测电路中的检测电源输出恒定电压，通过所述第二电流表对电流进行监测；若所述第二电流表检测到的电流值比初始电流值降低超过50％以上，则所述离化式气体报警器发出报警信号。因为一旦纳米对电极4被熔断，则对电极检测电路发生断路，其电流将迅速下降。
以下将本发明的离化式气体报警器用于监测氮气环境下是否有NO2泄漏为例，给出具体应用例对本发明的离化式气体报警器的使用方法进行说明。
请参考图3以及图4，本实施例提供的离化式气体报警器的使用方法包括以下步骤：
S1:提供一基准气体环境：氮气；
S2:所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录基准放电电压并关闭所述驱动电源，电压-电流数据示于图3中的虚线曲线，可知基准放电电压约在0.85伏特；
S3:提供一异常情况下的气体环境：含有10ppm NO2的氮气；
S4:所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录异常放电电压并关闭所述驱动电源，电压-电流数据示于图3中的实线曲线，可知基准放电电压约在0.65伏特；
S5：将所述气体报警器设置于工作气体环境：含有10ppm NO2的氮气；
S6：设置所述对电极检测电路中检测电源输出恒定电压：1毫伏，通过所述第二电流表监测电流；
S7：设置驱动电源输出恒定电压：0.75伏特。
保持恒定驱动电压2-3秒后，所述第二电流表无明显电流示数。取出离化气体报警器气体传感模块，利用扫描电子显微镜观察可得图4，纳米对电极硅纳米线已被离化电流熔断。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种离化式气体报警器，其特征在于，包括气体传感模块及电路模块，其中：
所述气体传感模块包括：
基底；
一维纳米结构阵列，由所述基底的特定区域进行刻蚀形成，所述一维纳米结构阵列包括若干一维纳米结构；
绝缘层，形成在所述特定区域外的所述基底上；
纳米对电极，设置在所述一维纳米结构阵列的上方，且由所述绝缘层支撑；
所述电路模块包括：
驱动电路，包括串联连接的驱动电源与第一电流表，所述驱动电路的第一端连接所述纳米对电极，其第二端连接所述基底，所述驱动电路用于在所述纳米对电极与所述一维纳米结构阵列之间形成电场，并用于确定所述离化式气体报警器的工作电压；
对电极检测电路，包括串联连接的检测电源与第二电流表，所述对电极检测电路的两端分别连接所述纳米对电极的两端，用于对所述纳米对电极中流过的电流进行检测，若检测到的电流值比初始电流值降低超过50％以上，则所述离化式气体报警器发出报警信号。
2.如权利要求1所述的离化式气体报警器，其特征在于，所述基底的表面设置有第一平面金属电极，所述第一平面金属电极与所述纳米对电极的一端电性连接，且所述第一平面金属电极通过第一信号线与所述驱动电路的第一端电性连接；
所述驱动电路的第二端通过第二信号线与所述基底电性连接，且所述第二信号线与所述基底形成欧姆接触；
所述基底的表面还设置有第二平面金属电极，所述第二平面金属电极与所述纳米对电极的另一端电性连接，所述对电极检测电路的一端通过第三信号线与所述第一平面金属电极电性连接，所述对电极检测电路的另一端通过第四信号线与所述第二平面金属电极电性连接。
3.如权利要求1所述的离化式气体报警器，其特征在于，所述纳米对电极在一个维度或两个维度上的尺寸小于100nm。
4.如权利要求1至3任一项所述的离化式气体报警器，其特征在于，所述一维纳米结构与所述纳米对电极之间的间距不大于1微米。
5.如权利要求1至3任一项所述的离化式气体报警器，其特征在于，所述纳米对电极的材料为硅纳米线、III-V族纳米线的任一种。
6.如权利要求1至3任一项所述的离化式气体报警器，其特征在于，所述一维纳米结构的材料为硅或氧化锌。
7.如权利要求1或2所述的离化式气体报警器，其特征在于，所述基底为导电硅材料；所述绝缘层为二氧化硅。
8.如权利要求1或2所述的离化式气体报警器，其特征在于，所述第二电流表设置有通讯接口。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的离化式气体报警器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定所述气体报警器的工作驱动电压；
S2：将所述气体报警器设置于工作气体环境；
S3：设置所述对电极检测电路中的检测电源输出恒定电压，通过所述第二电流表对电流进行监测；
S4：若所述第二电流表检测到的电流值比初始电流值降低超过50％以上，则所述离化式气体报警器发出报警信号。
10.如权利要求9所述的离化式气体报警器的使用方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：
S11：提供一基准气体环境；
S12：将所述离化式气体报警器置于该基准气体环境中，设置所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录基准放电电压并关闭所述驱动电源；
S13：提供一异常情况下的气体环境；
S14：将所述离化式气体报警器置于该异常情况下的气体环境中，设置所述驱动电源输出逐渐升高的电压信号，并通过第一电流表监测所述驱动电路中的电流信号，在电流跃升时记录异常放电电压并关闭所述驱动电源；
S15：将所述气体报警器的工作驱动电压确定为电压值大于异常放电电压且小于基准放电电压。
11.如权利要求10所述的离化式气体报警器的使用方法，其特征在于，在所述步骤S14之后与步骤S15之前还包括对重复步骤S11-S14多次，对工作驱动电压进行校准。
12.如权利要求10所述的离化式气体报警器的使用方法，其特征在于，所述工作驱动电压为异常放电电压和基准放电电压的平均值。
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