CN109813766B - 一种仿蝎子栉齿的气敏传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蝎子栉齿的气敏传感器及其制备方法，所述仿蝎子栉齿的气敏传感器包括：圆底板、圆顶板、连接在所述圆底板和所述圆顶板之间的若干个立板，所述圆顶板的中心设置有第一通孔，所述若干个立板自所述第一通孔的边缘至所述圆顶板的边缘沿所述圆顶板径向排列；相邻两个所述立板之间设置有仿生栉齿状气敏元件，所述仿生栉齿状气敏元件自下至上向所述圆顶板的中心倾斜。由于所有仿生栉齿状气敏元件一起向上收束成锥台形，并指向第一圆孔。这种仿蝎子栉齿的气敏传感器的结构不仅能增大气敏传感器与挥发性化学物质的接触面积，而且能延长挥发性化学物质停留时间，使得气敏传感器的电阻达到更快、更大的变化，提高了气敏传感器的灵敏度。

Description

一种仿蝎子栉齿的气敏传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气敏传感技术领域，尤其涉及的是一种仿蝎子栉齿的气敏传感器及其制备方法。

背景技术

信息时代的今天，传感和控制技术、通讯技术和计算机技术构成了现代信息技术的三大支柱。有人形象地把计算机技术喻为信息世界“大脑”，传感技术为“五官”，而气敏传感技术则是“五官”中的“鼻子”。作为化学物质信息准确获取和精密检测的一种重要手段，气敏传感技术不仅受到各国普遍重视而且成为发展最迅速的技术之一。现有技术中，气敏传感器的结构简单，气敏传感器的灵敏度较低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种仿蝎子栉齿的气敏传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中气敏传感器的灵敏度较低的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，包括：圆底板、圆顶板、连接在所述圆底板和所述圆顶板之间的若干个立板，所述圆顶板的中心设置有第一通孔，所述若干个立板自所述第一通孔的边缘至所述圆顶板的边缘沿所述圆顶板径向排列；相邻两个所述立板之间设置有仿生栉齿状气敏元件，所述仿生栉齿状气敏元件自下至上向所述圆顶板的中心倾斜。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，所述仿生栉齿状气敏元件呈阶梯状，并包括：两个梯撑，连接在两个所述梯撑之间的若干个梯梁，所述梯梁的表面设置有导电层，所述导电层表面设置有若干个凹坑，所述凹坑的底部设置有碳颗粒凸起，所述碳颗粒凸起上设置有氧化锌薄膜；所述碳颗粒凸起凸出于所述导电层的表面，相邻两个所述梯梁之间具有间隙。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，所述梯梁的上表面为弧面，所述梯梁的上表面自内至外向下倾斜。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，所述导电层采用碳纳米颗粒、金纳米颗粒、铂纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或多种制成。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，所述凹坑呈半球形，且所述凹坑的半径为50~2000μm，相邻两个所述凹坑的间距为30~5000μm。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，所述圆底板的中心设置有第二通孔。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，其还包括：设置在所述圆顶板上的报警装置，所述报警装置用于根据导电层的电阻发出警报。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其中，其还包括：设置在所述圆顶板上的蓝牙装置，所述蓝牙装置用于开启或关闭所述仿蝎子栉齿的气敏传感器。

一种如上述任意一项所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器的制备方法，其中，包括以下步骤：

制备仿生栉齿状气敏元件；

制备圆底板、圆顶板以及立板，并将圆底板、圆顶板以及立板连接；

将仿生栉齿状气敏元件安装在相邻两个立板之间。

所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器的制备方法，其中，所述制备仿生栉齿状气敏元件步骤具体包括：

在梯梁的表面喷涂导电颗粒形成导电层；

在导电层上打孔形成凹坑；

将带孔模板贴紧导电层后涂刷碳墨并形成碳颗粒凸起，并分离带孔模板；

在碳颗粒凸起上生长氧化锌薄膜得到仿生栉齿状气敏元件。

有益效果：由于所有仿生栉齿状气敏元件一起向上收束成锥台形，并指向第一圆孔。这种仿蝎子栉齿的气敏传感器的结构不仅能增大气敏传感器与挥发性化学物质的接触面积，而且能使挥发性化学物质在仿蝎子栉齿的气敏传感器上停留一定时间，进而使得仿蝎子栉齿的气敏传感器的电阻达到更快、更大的变化，提高了仿蝎子栉齿的气敏传感器的灵敏度。

附图说明

图1是本发明中仿蝎子栉齿的气敏传感器的第一结构示意图。

图2是本发明中仿蝎子栉齿的气敏传感器的第二结构示意图。

图3是本发明中壳体的结构示意图。

图4是本发明中仿生栉齿状气敏元件第一结构示意图。

图5是本发明中仿生栉齿状气敏元件第二结构示意图。

图6是本发明中仿生栉齿状气敏元件第三结构示意图。

图7是本发明中导电层、碳颗粒凸起、氧化锌薄膜的结构示意图。

图8是本发明中带孔模板的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图8，本发明提供了一种仿蝎子栉齿的气敏传感器的一些实施例。

如图1-图2所示，本发明的一种仿蝎子栉齿的气敏传感器，包括：圆底板10、圆顶板20、连接在所述圆底板10和所述圆顶板20之间的若干个立板30，所述圆顶板20的中心设置有第一通孔21，所述若干个立板30自所述第一通孔21的边缘至所述圆顶板20的边缘沿所述圆顶板20径向排列；相邻两个所述立板30之间设置有仿生栉齿状气敏元件40，所述仿生栉齿状气敏元件40自下至上向所述圆顶板20的中心倾斜。

值得说明的是，圆底板10、圆顶板20以及立板30形成气敏传感器的壳体。相邻两个立板30之间形成扇环形通孔，扇环形通孔与第一通孔21相连通形成通风通道。有毒气体自扇环形通孔的大端进入，经过仿生栉齿状气敏元件40后有毒气体从扇环形通孔的小端流出，并从第一通孔21流出气敏传感器。立板30的个数可以根据需要设置，例如，采用6-8个立板30，那么仿生栉齿状气敏元件40的个数与立板30的个数相同，也是6-8个。

本发明提供的仿蝎子栉齿的气敏传感器，由于所有仿生栉齿状气敏元件40一起向上收束成锥台形，并指向第一通孔21。这种仿蝎子栉齿的气敏传感器的结构不仅能增大气敏传感器与挥发性化学物质的接触面积，而且能使挥发性化学物质在仿蝎子栉齿的气敏传感器上停留一定时间，进而使得仿蝎子栉齿的气敏传感器的电阻达到更快、更大的变化，提高了仿蝎子栉齿的气敏传感器的灵敏度。

仿蝎子栉齿的气敏传感器采用如下步骤制备得到：

S100、制备仿生栉齿状气敏元件40。

S200、制备圆底板10、圆顶板20以及立板30，并将圆底板10、圆顶板20以及立板30连接。

具体地，将圆底板10、圆顶板20以及立板30连接成壳体。当然这里也可以采用其它形状的底板或顶板。

S300、将仿生栉齿状气敏元件40安装在相邻两个立板30之间。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图3所示，所述圆底板10的中心设置有第二通孔11。第一通孔21与第二通孔11相对，可以促进已反应完的气体（即已与仿生栉齿状气敏元件40接触的气体）的流出。第一通孔21和第二通孔11的直径可以根据需要设置，较佳的，第一通孔21与第二通孔11的直径相同。圆底板10上还设置有螺钉孔12，可以采用螺钉固定气敏传感器。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1、图4-图7所示，所述仿生栉齿状气敏元件40呈阶梯状，并包括：两个梯撑41，连接在两个所述梯撑41之间的若干个梯梁42，所述梯梁42的表面设置有导电层44，所述导电层44表面设置有若干个凹坑45，所述凹坑45的底部设置有碳颗粒凸起46，所述碳颗粒凸起46上设置有氧化锌薄膜47；所述碳颗粒凸起46凸出于所述导电层44的表面，相邻两个所述梯梁42之间具有间隙。如图6所示，仿生栉齿状气敏元件40上端小，下端大，相应地，梯梁42的长度也根据需要设置。

具体地，当然，也可以不设置梯撑41，将梯梁42的两端直接连接在立板30上。可以在梯梁42的上表面和/或下表面设置导电层44，本实施例中，梯梁42的上表面设置有导电层44。梯梁42的上表面是倾斜设置的，具体地，梯梁42的上表面自气敏传感器内至气敏传感器外向下倾斜，而梯梁42的下表面水平设置，也就是说，相邻梯梁42之间的间隙为自外向内的收窄口43，有毒气体自外向内流动时，收窄口43降低了空气的流速，有毒气体可以有充分的时间与梯梁42的上表面接触。

进一步地，如图4所示，梯梁42的上表面采用弧面设计，弧面为下凹弧面，采用这种下凹弧面设计时，有利于加速梯梁42之间的空气形成旋涡，从而使所有空气充分与梯梁42接触后再从收窄口43流出。

如图7所示，本实施例采用碳颗粒凸起46作为支撑材料，当然还可以采用其它导电材料制成起到支撑作用的凸起。碳颗粒凸起46呈半椭球形，使氧化锌铺展开，可以增大气敏材料的与空气的接触面积。当然还可以制成其它形状，如圆柱状。碳颗粒凸起46凸出于导电层44的表面，可以尽可能多地接触有毒气体，而且，气体在经过凹坑45过程时，会流入凹坑45中，凹坑45可以降低凹坑45内表面气体的流速，使有毒气体有充分的时间与氧化锌薄膜47接触。

本实施例采用氧化锌薄膜47作为气敏材料，可以根据需要检测的气体选择气敏材料，例如，氧化锡、氧化钛等等。当然，也可以采用多孔的、柔性的气敏材料替代薄膜的气敏材料。

仿生栉齿状气敏元件40具体采用如下步骤得到：

S110、在梯梁42的表面喷涂导电颗粒形成导电层44。

将导电颗粒喷在仿生栉齿状气敏元件40的表面。导电颗粒可以是碳纳米颗粒、金纳米颗粒、铂纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或多种。

S120、在导电层44上打孔形成凹坑45。

利用激光打标机对其表面表面加工出规则的凹坑45阵列，凹坑45的距离在30~5000μm之间，利用质量分数为8-16%的草酸电解液对表面进行进一步电化学阳极氧化腐蚀。将氧化后的金属层在铬酸溶液中蚀刻30~100分钟。整个处理温度保证在40~60℃。

凹坑45制成后，需要对表面进行四步清洗，具体为：用超声波清洗仪进行蒸馏水清洗整个梯梁42，用超声波清洗仪进行丙酮清洗梯梁42表面，用超声波清洗仪进行乙醇清洗，最后用蒸馏水清洗样件表面以去除表面遗留的乙醇以及其它杂质。

清洗完成后需对仿生栉齿状气敏元件40的梯梁42表面进行干燥，具体为：将清洗后的样件放到60-80℃的实验恒温烘箱中干燥。

S130、将带孔模板70贴紧导电层44后涂刷碳墨并形成碳颗粒凸起46，并分离带孔模板70。

仿生栉齿状气敏元件40的凹坑45中碳颗粒凸起46是采用凹坑45反向模板法生成得到，具体为：利用激光打标机对具有弧度的铝制薄板进行打孔，铝制薄板的弧度与梯梁42表面的弧度相一致，铝制薄板上孔的孔径的大小与表面凹坑45的大小相一致，完成带孔模板70的制作。当然，铝制薄板上孔的孔径的大小也可以小于凹坑45的直径大小。将带孔的模板紧贴梯梁42表面，使梯梁42表面的凹坑45与薄板的小孔对齐，对齐后在铝制薄膜的表面进行碳墨的涂刷，涂刷完成后分离梯梁42与铝制薄板，在凹坑45中形成碳颗粒的凸起。

S140、在碳颗粒凸起46上生长氧化锌薄膜47得到仿生栉齿状气敏元件40。

具体地，移取的0.2ml/L的硝酸锌溶液置于烧杯后放于磁力搅拌器上进行持续搅拌，移取0.2ml/L的六次甲基四胺溶液到滴定漏斗中，使其以2滴/秒的速度滴到烧杯中，用微量移液器向烧杯中加入的HF（氟化氢）溶液，搅拌得到混合均匀的溶液。将清洗过的仿生样件放到烧杯中，将烧杯放到80-90℃的实验恒温烘箱内生长3h。这里，硝酸锌溶液的浓度、六次甲基四胺溶液的浓度可以根据需要适当调整为0.1-0.3ml/L。当然，氧化锌以纳米棒的形式生长，由于氧化锌生长成一片，因此，采用氧化锌薄膜表示，当然也可以采用其它形式的氧化锌，例如，纳米片、纳米线，纳米颗粒等。这里氧化锌可以生长在整个导电层表面，碳颗粒凸起上的氧化锌起到主要气敏作用，有毒空气在流动过程中，主要停留在痒颗粒凸起上的氧化锌处，并改变了整个气敏传感器的电阻，从而被感应到。也就是说，凹坑结构和凸起结构组合体增大了携带化学分子的气体与栉器表面的可能接触面积，即增大了栉器表面捕获、吸附气体的可能性；另外，凹坑结构与凸起结构能改变气流方向，使气流速度降低，在凹坑与凸起间隙形成气流漩涡，从而使携带化学分子的气体与栉器的可能接触面充分接触，增大了栉器表面的气体吸附量，进而增加了栉器的气体敏感性。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，仿蝎子栉齿的气敏传感器还包括：设置在所述圆顶板20上的报警装置50，所述报警装置50用于根据导电层44的电阻发出警报。

具体地，报警装置50可以是报警灯和/或报警器。当导电层44的电阻出现明显变化时，则通过报警装置50发出警报。这里导电层44的电阻变化，是由于挥发性化学物质与气敏材料发生反应造成的，导电层44的电阻发生变化表面检测到了有毒的挥发性化学物质。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，仿蝎子栉齿的气敏传感器还包括：设置在所述圆顶板20上的蓝牙装置60，所述蓝牙装置60用于开启或关闭所述仿蝎子栉齿的气敏传感器。

具体地，可以通过蓝牙装置60控制气敏传感器的开启或关闭，当然，也可以通过蓝牙装置60传输气敏传感器采集到的数据，从而便于对数据进行分析。

基于上述实施例的仿蝎子栉齿的气敏传感器，本发明还提供了一种仿蝎子栉齿的气敏传感器的制备方法的较佳实施例：

本发明实施例所述一种仿蝎子栉齿的气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100、制备仿生栉齿状气敏元件40，具体如上所述。

具体地，所述步骤S100具体包括：

步骤S110、在梯梁42的表面喷涂导电颗粒形成导电层44，具体如上所述。

步骤S120、在导电层44上打孔形成凹坑45，具体如上所述。

步骤S130、将带孔模板70贴紧导电层44后涂刷碳墨并形成碳颗粒凸起46，并分离带孔模板70，具体如上所述。

步骤S140、在碳颗粒凸起46上生长氧化锌薄膜47得到仿生栉齿状气敏元件40，具体如上所述。

步骤S200、制备圆底板10、圆顶板20以及立板30，并将圆底板10、圆顶板20以及立板30连接，具体如上所述。

步骤S300、将仿生栉齿状气敏元件40安装在相邻两个立板30之间，具体如上所述。

该传感器主要仿照蝎子腹部栉器结构对化学信号的超灵敏感知原理，通过仿生栉齿状气敏元件的梯撑41和梯梁42结构模仿蝎子栉器的齿梳状结构，梯梁42的弧形曲面、阵列分布以及梯梁42表面的凹凸结构模仿栉器的表面形态、结构和感应机理。这些多级复合结构相互作用，不仅能增大仿蝎子栉齿的气敏传感器与挥发性化学物质的接触面积，而且能使挥发性化学物质在仿蝎子栉齿的气敏传感器上停留一定时间，进而使得仿蝎子栉齿的气敏传感器的电阻达到更快、更大的变化，提高了仿蝎子栉齿的气敏传感器的灵敏度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，包括：圆底板、圆顶板、连接在所述圆底板和所述圆顶板之间的若干个立板，所述圆顶板的中心设置有第一通孔，所述若干个立板自所述第一通孔的边缘至所述圆顶板的边缘沿所述圆顶板径向排列；相邻两个所述立板之间设置有仿生栉齿状气敏元件，所述仿生栉齿状气敏元件自下至上向所述圆顶板的中心倾斜；

所述仿生栉齿状气敏元件呈阶梯状，并包括：两个梯撑，连接在两个所述梯撑之间的若干个梯梁，所述梯梁的表面设置有导电层，所述导电层表面设置有若干个凹坑，所述凹坑的底部设置有碳颗粒凸起，所述碳颗粒凸起上设置有氧化锌薄膜。

2.根据权利要求1所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，所述碳颗粒凸起凸出于所述导电层的表面，相邻两个所述梯梁之间具有间隙。

3.根据权利要求2所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，所述梯梁的上表面为弧面，所述梯梁的上表面自内至外向下倾斜。

4.根据权利要求2所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，所述导电层采用碳纳米颗粒、金纳米颗粒、铂纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或多种制成。

5.根据权利要求2所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，所述凹坑呈半球形，且所述凹坑的半径为50～2000μm，相邻两个所述凹坑的间距为30～5000μm。

6.根据权利要求1所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，所述圆底板的中心设置有第二通孔。

7.根据权利要求1所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，其还包括：设置在所述圆顶板上的报警装置，所述报警装置用于根据导电层的电阻发出警报。

8.根据权利要求1所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器，其特征在于，其还包括：设置在所述圆顶板上的蓝牙装置，所述蓝牙装置用于开启或关闭所述仿蝎子栉齿的气敏传感器。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备仿生栉齿状气敏元件；

制备圆底板、圆顶板以及立板，并将圆底板、圆顶板以及立板连接；

将仿生栉齿状气敏元件安装在相邻两个立板之间。

10.根据权利要求9所述的仿蝎子栉齿的气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述制备仿生栉齿状气敏元件步骤具体包括：

在梯梁的表面喷涂导电颗粒形成导电层；

在导电层上打孔形成凹坑；

将带孔模板贴紧导电层后涂刷碳墨并形成碳颗粒凸起，并分离带孔模板；

在碳颗粒凸起上生长氧化锌薄膜得到仿生栉齿状气敏元件。

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