CN110080744B - 基于单片集成传感器的井下探测装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单片集成传感器的井下探测装置及制备方法，本发明将传感器搭载在八轴飞行器上，利用GPS定位模块和超声波测距模块可以灵活地移动，因此可以通过远程的操控轻松实现矿井深处气体的检测，提高了安全性；本发明制作的基于石墨烯的单片集成传感器，实现了一个传感器对氨气、甲烷、一氧化碳、气压、温度以及湿度这六种矿井下重要因素的检测，便于综合分析井下的情况；采用了静压头，有效地避免了井下环境和飞行器的风压对单片集成传感器测量结果的影响，提高了测量的准确性。

Description

基于单片集成传感器的井下探测装置及制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于单片集成传感器的井下探测装置及制备方法。
背景技术
煤炭产业是我国能源产业的核心之一，矿井下环境的安全问题是产业可持续发展的核心问题。在矿井下，存在着CH4、CO、H2S等有毒气体，同时由于井下爆破工作会产生NO2、NH3等有害气体。其中一氧化碳会造成人的窒息。二氧化氮对人的眼睛、呼吸道以及肺部有强烈的刺激和腐蚀作用。氨气在浓度达到百分之三十时有爆炸危险，同时对人体的皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用。准确实时的检测矿井下一氧化碳、二氧化氮、氨气是提高井下作业安全的有效途径，因此能灵活地对井下各个地方的有毒有害气体进行检测十分有必要。
自从石墨烯问世以来，因为其优异的物理、化学性能及其衍生物具备半导体特性的优势，有望成为制备常温情况下气体传感器的首选材料。同时，经过人们多年的研究发现，通过将还原氧化石墨烯(RGO)和传统的金属氧化物复合，或是在还原氧化石墨烯(RGO)里掺杂杂质原子，可以有效的改善传感器的气敏特性。且近年来，无人机以其机动灵活、视野全面、安全可靠的优势，在农业、工业等领域得到广泛应用，而采取八轴飞行器和单片集成传感器相结合的方法，可以灵活地对井下各个地方进行灵活检测。
目前对于井下气体的检测的传感器几乎都是功能单一，然而对这些有害气体都进行检测是很有必要的，任何一种气体甚至是温度、湿度或是气压的突变，都会对井下作业的安全带来潜在的威胁，因此，高灵敏度单片集成的传感器及其测量系统有广阔的应用前景和市场价值。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于单片集成传感器的井下探测装置，具有高灵敏度单片集成的传感器能够有效监测到井下环境以提高井下作业的安全性。
技术方案：本发明所述的一种基于单片集成传感器的井下探测装置，包括八轴飞行器、静压头、与静压头相连的单片集成传感器、传感器信号处理模块、无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块和超声波测距模块；位于飞行器上方的静压头正常导入环境的气体浓度、气压、温度和湿度；所述单片集成传感器与静压头相连，将测量结果传送到八轴飞行器的信号处理模块中，所述八轴飞行器通过无线通讯模块与地面的数据处理中心实现实时的信息交互；所述GPS定位模块用于定位八轴飞行器，井上的用户可以根据井下的通道结构有效控制飞行器在井下灵活地飞行，所述超声波测距模块用于实现整个装置自动避障。
通过采用上述技术方案，飞行器飞入到井下，单片集成传感器对井下氨气、甲烷、一氧化碳、气压、温度以及湿度这六种矿井下重要因素的检测，然后通过无线通讯模块上传到地面的数据处理中心，数据处理中心综合分析井下的情况，然后根据结果进行工作安排。
发明目的：本发明的目的是提供一种基于单片集成传感器的井下探测装置，制备出单片上集成具有检测氨气、甲烷、一氧化碳、温度、气压、湿度的功能的传感器。
技术方案：本发明所述的一种基于单片集成传感器的井下探测装置制备方法，其中单片集成传感器的结构包括：氨气传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、气压传感器和湿度传感器；它们按照2行3列形式分布排列。所述的氨气传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、镍铬合金层、金薄膜层、二氧化锡层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在镍铬合金层、金薄膜层、二氧化锡5构成的叉指电极上覆盖的是RGO薄膜层；所述的甲烷传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、镍铬合金层、金薄膜层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在镍铬合金层、金薄膜层构成的叉指电极上覆盖的是SnO2/RGO薄膜层；所述的一氧化碳传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、镍铬合金层、金薄膜层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在镍铬合金层、金薄膜层构成的叉指电极上覆盖的是RGO薄膜层，在RGO薄膜层中有注入铝原子；所述的温度传感器自下而上分别是陶瓷基底、氧化石墨烯层、RGO薄膜层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在二氧化硅层中间空位设置氧化石墨烯层；所述的气压传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、RGO薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯、气囊、天然乳胶，在陶瓷基底的上方两端分别是左电极以及右电极，陶瓷基底底部掏空一部分形成C杯；所述的湿度传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、RGO薄膜层、聚酰亚胺湿敏层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，陶瓷基底底部掏空一部分形成C杯。制作工艺包括如下单片集成传感器的制备步骤：
步骤一：首先选取陶瓷作为基底，并将其均等分成六个部分，依次命名为六个模块，并且令左上角为第一部分，从左到右依次为氨气传感器模块、甲烷传感器模块、一氧化碳传感器模块，第二排从左到右依次为温度传感器模块、气压传感器模块、湿度传感器模块，首先在衬底上利用磁控溅射技术沉积一层金薄膜，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成左电极以及右电极；
步骤二：在陶瓷基底上以热氧化方式生长一层二氧化硅，接着淀积Si3N4，再对第五模块以及第六模块采用背面干法光刻技术腐蚀窗口，用KOH腐蚀液80℃腐蚀，到SiO2层会自动停止，最后去除Si3N4；
步骤三：在第一模块、第二模块以及第三模块其二氧化硅表面溅射一层镍铬合金，接着在这三个模块上面溅射一层金薄膜，最后用负胶光刻工艺刻蚀出梳齿形状的叉指电极；对第四模块采用负胶光刻工艺，在二氧化硅层中间位置刻蚀出空位；
步骤四：对第一模块再次利用磁控溅射技术在叉指电极上沉积锡金属，形成锡金属对整个叉指电极的覆盖，然后在空气中退火，将锡氧化成二氧化锡，覆盖在Au薄膜上，形成Au/SnO2复合结构；
步骤五：利用喷涂打印技术在第四模块中间空位形成氧化石墨烯层，然后制作RGO溶液，将RGO分散液分别涂在模块一以及模块三的叉指电极，模块四的氧化石墨烯层，模块五以及模块六的二氧化硅层上成膜，最后置于真空干燥箱中使薄膜中水分蒸发；
步骤六：利用溶胶-凝胶法制备SnO2溶胶溶液，向其中掺杂RGO分散液，利用旋涂法制成SnO2/RGO复合薄膜，之后对其进行退火处理，得到最终的SnO2/RGO薄膜，并将其涂覆在模块二的叉指电极上；利用离子体刻蚀方法将银纳米晶体沉积在模块一的RGO膜表面，利用离子注入技术向模块三中RGO薄膜注入铝原子；
步骤七：在模块六的RGO薄膜上涂聚酰亚胺湿敏层，然后光刻，最后亚胺化；
步骤八：在模块五的RGO薄膜上涂覆柔软且具有弹性的材料聚甲基丙烯酸甲酯，利用天然乳胶制备上层基底，制备充盈气囊并镶嵌于上层基底内部，并放置于模块五的石墨烯层上。
通过采用上述技术方案，一块单片集成传感器能够具有检测氨气、甲烷、一氧化碳、温度、气压、湿度的功能；不仅提高了集成的工艺，同时也降低了飞行器的排线难度和重量。
有益效果：本发明将传感器搭载在八轴飞行器上，利用GPS定位模块和超声波测距模块可以灵活地移动，因此可以通过远程的操控轻松实现矿井深处气体的检测，提高了安全性；本发明制作的基于石墨烯的单片集成传感器，实现了一个传感器对氨气、甲烷、一氧化碳、气压、温度以及湿度这六种矿井下重要因素的检测，便于综合分析井下的情况；采用了静压头，有效地避免了井下环境和飞行器的风压对单片集成传感器测量结果的影响，提高了测量的准确性。
附图说明
图1为本发明专利的整体结构示意图；
图2为本发明专利的传感器测量装置结构图；
图3为本发明专利的传感器测量装置的模块框图；
图4为本发明专利的测量方法的流程图；
图5为本发明专利的单片集成传感器的整体俯视结构示意图；
图6为本发明专利的氨气传感器结构示意图；
图7为本发明专利的甲烷传感器结构示意图；
图8为本发明专利的一氧化碳传感器结构示意图；
图9为本发明专利的温度传感器结构示意图；
图10为本发明专利的气压传感器结构示意图；
图11为本发明专利的湿度传感器结构示意图。
图中的附图标记解释为:1、左电极；2、右电极；3、二氧化硅层；4、陶瓷基底；5、二氧化锡；6、氧化石墨烯层；7、镍铬合金层；8、金薄膜层；9、银纳米晶体；10、铝原子；11、聚酰亚胺湿敏层；12、RGO薄膜层；13、聚甲基丙烯酸甲酯；14、天然乳胶；15、气囊；16、SnO2/RGO薄膜层；17、C杯。
具体实施方式
如图1所示，一种基于单片集成传感器的井下探测装置，包括八轴飞行器、静压头、与静压头相连的单片集成传感器、传感器信号处理模块、信号转换模块、无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块、超声波测距模块以及数据处理中心。静压头为飞碟形状、位于飞行器的上方、将来自井下环境和八轴飞行器各个方向的风压消除，正常导入环境的气体浓度、气压、温度和湿度等；单片集成传感器与静压头相连，将测量结果传送到八轴飞行器的信号处理模块中，八轴飞行器通过无线通讯模块与地面的数据处理中心实现实时的信息交互。GPS定位模块用于定位八轴飞行器，井上的用户可以根据井下的通道结构有效控制飞行器在井下灵活地飞行，超声波测距模块用于实现自动避障。
如图2所示，静压头将来自各个方向的风压抵消，气体就正常通过导管进入单片集成传感器进行检测，单片集成传感器将采集到的电信号传送到信号选择电路获得有效信号，再通过电压放大电路和低通滤波电路处理后，传输给A/D模数转换器，A/D模数转换器将信号转换后输出至STM32F407单片机一，再由单片机一通过RS232/485发送至八轴飞行器中设置的STM32F407单片机二，单片机二再通过无线通讯模块ESP8266WIFI与地面的数据处理中心实现实时的信息交互。
如图3所示，传感器信号处理模块包括电源模块、信号处理模块、信号转换模块。电源模块分为基准电压源、模拟电源和数字电源，基准电压源为传感器供电，模拟电源为信号处理模块供电，数字电源为信号转换模块供电；信号处理模块分为电压放大电路，信号选择电路以及低通滤波电路。信号转换模块包括A/D模数转换器和单片机一；单片集成传感器将电信号送到单片机二再通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心。
如图4所示，基于单片集成传感器的井下探测的工作过程：将静压头、单片集成传感器装载在八轴飞行器上，根据矿井地形图，标记出一些重要地点进行气体探测；首先飞行器通过矿井口送入矿井，以缓慢速度飞行，在飞行过程中，利用超声波测距模块计算飞行器与障碍物之间的距离，将测得的数据传送至单片机二中，再由单片机二向飞行器发出指令；当到达指定点后，悬停在空中进行测量，气体进入静压头消除来自各个方向的风压，然后送至单片集成的传感器上进行测量，得到的数据在传送至8通道模拟多路选择器中，根据单片机一给出的编码值获得有效数据，从而可以依次得到甲烷、二氧化碳、一氧化碳、气压、温度以及湿度的数据，接着再对数据预处理之后送至单片机一，然后传送至单片机二，再通过无线通讯模块传送到数据中心，实现数据的实时更新。
如图5所示，所述单片集成传感器包括氨气传感器S1、甲烷传感器S2、一氧化碳传感器S3、温度传感器S4、气压传感器S5和湿度传感器S6；它们按照2行3列形式分布排列。如图6所示，所述的氨气传感器自下而上分别是陶瓷基底4、二氧化硅层3、镍铬合金层7、金薄膜层8、二氧化锡层5，在陶瓷基底4上方的两端分别是左电极1以及右电极2，在镍铬合金层7、金薄膜层8、二氧化锡层5构成的叉指电极上覆盖的是RGO薄膜层12；如图7所示，所述的甲烷传感器自下而上分别是陶瓷基底4、二氧化硅层3、镍铬合金层7、金薄膜层8，在陶瓷基底4上方的两端分别是左电极1以及右电极2，在镍铬合金层7、金薄膜层8构成的叉指电极上覆盖的是SnO2/RGO薄膜层16；如图8所示，所述的一氧化碳传感器自下而上分别是陶瓷基底4、二氧化硅层3、镍铬合金层7、金薄膜层8，在陶瓷基底4上方的两端分别是左电极1以及右电极2，在镍铬合金层7、金薄膜层8构成的叉指电极上覆盖的是RGO薄膜层12，在RGO薄膜层12中有注入铝原子10；如图9所示，所述的温度传感器自下而上分别是陶瓷基底4、氧化石墨烯层6、RGO薄膜层12，在陶瓷基底4上方的两端分别是左电极1以及右电极2，在二氧化硅层3中间空位设置氧化石墨烯层6；如图10所示，所述的气压传感器自下而上分别是陶瓷基底4、二氧化硅层3、RGO薄膜12、聚甲基丙烯酸甲酯13、气囊15、天然乳胶14，在陶瓷基底4的上方两端分别是左电极1以及右电极2，陶瓷基底4底部掏空一部分形成C杯17；如图11所示，所述的湿度传感器自下而上分别是陶瓷基底4、二氧化硅层3、RGO薄膜层12、聚酰亚胺湿敏层11，在陶瓷基底4上方的两端分别是左电极1以及右电极2，陶瓷基底4底部掏空一部分形成C杯17。
单片集成的传感器的制备方法为以下步骤：
步骤一：选取陶瓷作为基底，并将其均等分成六个部分，依次命名为S1、S2、S3、S4、S5、S6等六个传感器模块，并且令左上角为第一部分，从左到右依次为氨气传感器模块S1、甲烷传感器模块S2、一氧化碳传感器模块S3，第二排从左到右依次为温度传感器模块S4、气压传感器模块S5、湿度传感器模块S6。首先在陶瓷基底4上利用磁控溅射技术沉积一层金薄膜，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成左电极1以及右电极2；
步骤二：在陶瓷基底4上方以热氧化方式生长一层厚度为50nm的二氧化硅层3，接着在陶瓷基底背面淀积一层600nm的Si3N4层，再采用光刻和RIE干法刻蚀工艺在第五模块以及第六模块的背面形成腐蚀窗口，使用KOH腐蚀液在80℃的温度下进行湿法腐蚀，到SiO2层自动停止，形成C杯17，最后去除Si3N4层；
步骤三：在S1模块、S2模块以及S3模块的二氧化硅层3表面溅射一层镍铬合金，镍铬合金层7为100nm厚；接着在这三个模块上面溅射一层金薄膜层8，金薄膜层8的厚度为150nm；最后用负胶光刻工艺刻蚀出梳齿形状的叉指电极；对S4模块采用负胶光刻工艺，在二氧化硅层3中间位置刻蚀出空位；
步骤四：对S1模块再次利用磁控溅射技术在叉指电极上沉积锡金属，形成锡金属对整个叉指电极的覆盖，然后在空气中退火，将锡氧化成二氧化锡层5，覆盖在金薄膜8上，形成Au/SnO2复合结构；
步骤五：利用喷涂打印技术在S4模块中间空位形成氧化石墨烯层6，然后制作浓度为3.8mg/ml的RGO溶液，将RGO分散液分别涂在S1模块以及S3模块的叉指电极，S4的氧化石墨烯层6，S5模块以及S6模块的二氧化硅3层上成膜，最后置于真空干燥箱中使薄膜中水分蒸发；
步骤六：利用溶胶-凝胶法制备SnO2溶胶溶液，向其中掺杂RGO分散液，其中SnO2/RGO薄膜16的石墨烯的掺杂量为0.75mg/ml；利用旋涂法制成SnO2/RGO复合薄膜，之后对其进行退火处理，得到最终的SnO2/RGO薄膜16，并将其涂覆在S2模块的叉指电极上；利用离子体刻蚀方法将银纳米晶体9沉积在S1模块的RGO膜表面，利用离子注入技术向S3模块中RGO薄膜12注入铝原子10；
步骤七：在S6模块的RGO薄膜12上涂聚酰亚胺湿敏层11，然后光刻，最后亚胺化；
步骤八：在S5模块的RGO薄膜12上涂覆柔软且具有弹性的材料聚甲基丙烯酸甲酯(13)，利用天然乳胶14制备上层基底，制备充盈气囊15并镶嵌于上层基底内部，并放置于S5模块的RGO薄膜12上。
如图6至图11所示的六种传感器通过上述步骤得到。

Claims (8)

1.一种基于单片集成传感器的井下探测装置，包括八轴飞行器、静压头、与静压头相连的单片集成传感器、传感器信号处理模块、无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块和超声波测距模块；位于飞行器上方的静压头正常导入环境的气体浓度、气压、温度和湿度；单片集成传感器与静压头相连，将测量结果传送到八轴飞行器的信号处理模块中，八轴飞行器通过无线通讯模块与地面的数据处理中心实现实时的信息交互；GPS定位模块用于定位八轴飞行器，井上的用户能够根据井下的通道结构有效控制飞行器在井下灵活地飞行，超声波测距模块用于实现整个装置自动避障，其中，所述单片集成传感器的结构包括氨气传感器、甲烷传感器 、一氧化碳传感器、温度传感器、气压传感器和湿度传感器；它们按照2行3列形式分布排列；所述的氨气传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、镍铬合金层、金薄膜层、二氧化锡层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在镍铬合金层、金薄膜层、二氧化锡构成的叉指电极上覆盖的是RGO薄膜层；所述的甲烷传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、镍铬合金层、金薄膜层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在镍铬合金层、金薄膜层构成的叉指电极上覆盖的是SnO2/RGO薄膜层；所述的一氧化碳传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、镍铬合金层、金薄膜层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在镍铬合金层、金薄膜层构成的叉指电极上覆盖的是RGO薄膜层，在RGO薄膜层中有注入铝原子；所述的温度传感器自下而上分别是陶瓷基底、氧化石墨烯层、RGO薄膜层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，在二氧化硅层中间空位设置氧化石墨烯层；所述的气压传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、RGO薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯、气囊、天然乳胶，在陶瓷基底的上方两端分别是左电极以及右电极，陶瓷基底底部掏空一部分形成C杯；所述的湿度传感器自下而上分别是陶瓷基底、二氧化硅层、RGO薄膜层、聚酰亚胺湿敏层，在陶瓷基底上方的两端分别是左电极以及右电极，陶瓷基底底部掏空一部分形成C杯。
2.根据权利要求1所述的基于单片集成传感器的井下探测装置，其特征在于单片集成传感器包括氨气传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、气压传感器、温度传感器以及湿度传感器；传感器信号处理模块包括电源模块、信号处理模块、信号转换模块；电源模块分为基准电压源、模拟电源和数字电源；基准电压源为传感器供电，模拟电源为信号处理模块供电，数字电源为信号转换模块供电；信号处理模块包括电压放大电路，信号选择电路以及低通滤波电路；信号转换模块包括A/D模数转换器和单片机一；单片集成传感器将电信号送到信号选择电路获得有效信号，再通过电压放大电路和低通滤波电路处理后，传输给A/D模数转换器，A/D模数转换器将信号转换后输出至单片机一，再由单片机一发送至八轴飞行器内置的单片机二；单片机二再通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心。
3.根据权利要求1所述的基于单片集成传感器的井下探测装置，其特征在于静压头为飞碟形状，该飞碟形状的静压头将来自井下环境和八轴飞行器各个方向的风压消除。
4.根据权利要求1所述的单片集成传感器的井下探测装置的制备方法，其特征在于包括如下单片集成传感器的制备步骤：
步骤一：首先选取陶瓷作为基底，并将其分成六个部分，按照2行3列形式设置，从左到右依次为氨气传感器模块、甲烷传感器模块、一氧化碳传感器模块，第二排从左到右依次为温度传感器模块、气压传感器模块、湿度传感器模块，首先在衬底上利用磁控溅射技术沉积一层金薄膜，并利用光刻和刻蚀工艺使其图形化，形成左电极以及右电极；
步骤二：在陶瓷基底上以热氧化方式生长一层二氧化硅，接着淀积Si3N4，再对第五模块以及第六模块采用背面干法光刻技术腐蚀窗口，用KOH腐蚀液80℃腐蚀，到SiO2层会自动停止，最后去除Si3N4；
步骤三：在第一模块、第二模块以及第三模块其二氧化硅表面溅射一层镍铬合金，接着在这三个模块上面溅射一层金薄膜，最后用负胶光刻工艺刻蚀出梳齿形状的叉指电极；对第四模块采用负胶光刻工艺，在二氧化硅层中间位置刻蚀出空位；
步骤四：对第一模块再次利用磁控溅射技术在叉指电极上沉积锡金属，形成锡金属对整个叉指电极的覆盖，然后在空气中退火，将锡氧化成二氧化锡，覆盖在金薄膜上，形成Au/SnO2复合结构；
步骤五：利用喷涂打印技术在第四模块中间空位形成氧化石墨烯层，然后制作RGO溶液，将RGO分散液分别涂在模块一以及模块三的叉指电极，模块四的氧化石墨烯层，模块五以及模块六的二氧化硅层上成膜，最后置于真空干燥箱中使薄膜中水分蒸发；
步骤六：利用溶胶-凝胶法制备SnO2溶胶溶液，向其中掺杂RGO分散液，利用旋涂法制成SnO2/RGO复合薄膜，之后对其进行退火处理，得到最终的SnO2/RGO薄膜，并将其涂覆在模块二的叉指电极上；利用离子体刻蚀方法将银纳米晶体沉积在模块一的RGO膜表面，利用离子注入技术向模块三中RGO薄膜注入铝原子；
步骤七：在模块六的RGO薄膜上涂聚酰亚胺湿敏层，然后光刻，最后亚胺化；
步骤八：在模块五的RGO薄膜上涂覆柔软且具有弹性的材料聚甲基丙烯酸甲酯，利用天然乳胶制备上层基底，制备充盈气囊并镶嵌于上层基底内部，并放置于模块五的石墨烯层上。
5.根据权利要求4所述的单片集成传感器的井下探测装置的制备方法，其特征在于步骤二中的二氧化硅衬底为50nm。
6.如权利要求4所述的单片集成传感器的井下探测装置的制备方法，其特征在于步骤三中镍铬合金为100nm，金薄膜为150nm。
7.如权利要求4所述的单片集成传感器的井下探测装置的制备方法，其特征在于步骤五中RGO溶液浓度为3.8mg/ml。
8.如权利要求4所述的单片集成传感器的井下探测装置的制备方法，其特征在于步骤六中SnO2/RGO薄膜（16）的石墨烯的掺杂量为0.75mg/ml。
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