CN110514698A - 一种气体感测装置和气体检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体感测装置和气体检测设备。该气体感测装置包括基底和设置在基底上方的第一电极、第二电极和气敏件，气敏件设置于第一电极和第二电极的背离基底的一侧，第一电极和第二电极分设于气敏件的相对两端，且与气敏件相接触，用于向气敏件的相对两端施加极化电压，气敏件用于吸附被测气体分子，并将其转换为电流输出；第一电极还用于将气敏件产生的电流输出。该气体感测装置克服了现有电化学气体传感器信号易衰减的缺陷、红外气体传感器输出信号微弱，无法直接使用的缺陷，以及半导体类气体传感器选择性不好，灵敏度不高，寿命短的缺陷，相对于现有的电参量气体传感器，该气体感测装置的选择性更好，灵敏度更高，且成本低，寿命长。

Description

一种气体感测装置和气体检测设备

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种气体感测装置和气体检测设备。

背景技术

在环境、汽车、化工以及医疗诊断领域，人们越来越关注气体的检测。目前气体检测传感器主要有电化学类气体传感器，红外气体传感器和电参量气体传感器。化学类气体传感器主要是灵敏度高、选择性好，但是电解液的蒸发或污染会导致传感器信号的衰减；红外气体传感器的输出都是微小模拟信号，一般用户不可以直接使用；而电参量传感器成本低，通过其电学信号便可测得气体浓度，半导体类气体传感器是其中一类，但目前很多半导体类气体传感器具有选择性不好，灵敏度不高，且寿命短等缺陷。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种气体感测装置和气体检测设备。该气体感测装置克服了现有电化学气体传感器信号易衰减的缺陷、红外气体传感器输出信号微弱，无法直接使用的缺陷，以及半导体类气体传感器选择性不好，灵敏度不高，寿命短的缺陷，相对于现有的电参量气体传感器，该气体感测装置的选择性更好，灵敏度更高，且成本低，寿命长。

本发明提供一种气体感测装置，包括基底和设置在所述基底上方的第一电极、第二电极和气敏件，所述气敏件设置于所述第一电极和所述第二电极的背离所述基底的一侧，所述第一电极和所述第二电极分设于所述气敏件的相对两端，且与所述气敏件相接触，用于向所述气敏件的相对两端施加极化电压，所述气敏件用于吸附被测气体分子，并将其转换为电流输出；所述第一电极还用于将所述气敏件产生的电流输出。

优选地，所述气敏件采用氧化石墨烯二维柔性材料。

优选地，所述第一电极和所述第二电极采用铜钛合金材料。

优选地，还包括开关管，所述开关管设置在所述基底上，所述开关管的第一极电连接所述第一电极。

优选地，所述开关管的栅极、栅绝缘层、有源层、所述第一极和第二极依次远离所述基底设置；所述第一极和所述第二极同层设置；

所述栅绝缘层还延伸至所述基底与所述第一电极、所述第二电极及所述气敏件之间；

所述第一极还延伸至所述第一电极与所述栅绝缘层之间以及所述第二电极与所述栅绝缘层之间。

优选地，还包括第一绝缘层和遮挡层，所述第一绝缘层设置于所述开关管背离所述基底的一侧，所述第一绝缘层中开设有过孔，所述第一电极、所述第二电极和所述气敏件位于所述过孔中；

所述遮挡层设置于所述第一绝缘层的背离所述开关管的一侧，且所述遮挡层在所述基底上的正投影覆盖所述开关管，所述遮挡层能遮挡照射至所述开关管的环境光线。

优选地，所述遮挡层采用不透光金属材料。

优选地，还包括检测电路，所述检测电路的输入端电连接所述开关管的第二极，所述检测电路用于接收所述气敏件输出的电流，并将所述电流转换为被测气体的浓度。

本发明还提供一种气体检测设备，包上述气体感测装置。

优选地，所述气体感测装置的数量为多个，多个所述气体感测装置呈阵列排布。

本发明的有益效果：本发明所提供的气体感测装置，通过设置气敏件、第一电极和第二电极，在气体感测过程中能通过吸附被测气体分子，并将其转换为电流输出，从而对气体进行感测，克服了现有电化学气体传感器信号易衰减的缺陷、红外气体传感器输出信号微弱，无法直接使用的缺陷，以及半导体类气体传感器选择性不好，灵敏度不高，寿命短的缺陷，相对于现有的电参量气体传感器，该气体感测装置的选择性更好，灵敏度更高，且成本低，寿命长。

本发明所提供的气体检测设备，通过采用上述气体感测装置，提高了该气体检测设备对气体进行检测的选择性和灵敏度，同时降低了该气体检测设备的成本，并提高了其寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中气体感测装置的结构剖视示意图；

图2为本发明实施例中气体感测装置中的气敏件对氨气进行感测的示意图；

图3为本发明实施例中气体感测装置感测气体的原理框图。

其中附图标记为：

1、基底；2、第一电极；3、第二电极；4、气敏件；5、开关管；51、第一极；52、栅极；53、第二极；54、栅绝缘层；55、有源层；6、第一绝缘层；61、过孔；7、遮挡层；8、检测电路。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明气体感测装置和气体检测设备作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种气体感测装置，如图1所示，包括基底1和设置在基底1上方的第一电极2、第二电极3和气敏件4，气敏件4设置于第一电极2和第二电极3的背离基底1的一侧，第一电极2和第二电极3分设于气敏件4的相对两端，且与气敏件4相接触，用于向气敏件4的相对两端施加极化电压，气敏件4用于吸附被测气体分子，并将其转换为电流输出；第一电极2还用于将气敏件4产生的电流输出。

该气体感测装置，通过设置气敏件4、第一电极2和第二电极3，在气体感测过程中能通过吸附被测气体分子，并将其转换为电流输出，从而对气体进行感测，克服了现有电化学气体传感器信号易衰减的缺陷、红外气体传感器输出信号微弱，无法直接使用的缺陷，以及半导体类气体传感器选择性不好，灵敏度不高，寿命短的缺陷，相对于现有的电参量气体传感器，该气体感测装置的选择性更好，灵敏度更高，且成本低，寿命长。

优选的，本实施例中，气敏件4采用氧化石墨烯二维柔性材料。该材料的气敏件4，在第一电极2和第二电极3施加极化电压(如第一电极上可施加一个负压如-3V，第二电极上可施加一个正压如1V)后，其表面会形成浓度呈梯度分布的官能团，从而在表面吸附气体分子时电离出的电荷会发生定向迁移，并产生自发极化电压，经过自发极化过程后的氧化石墨烯二维柔性材料的气敏件4电学信号强度较高，并且响应速度较快，进而使该气体感测装置的选择性更好，灵敏度更高。如图2所示为该气敏件4对氨气进行感测时吸附氨气分子的示意图。

当然，气敏件4也可以采用具有上述功能的其他材料，这里不做具体限定。

优选的，第一电极2和第二电极3采用铜钛合金材料。该材料的电极导电性能更好，从而能进一步提高气体感测装置的选择性和灵敏度。

当然，第一电极2和第二电极3也可以采用其他的金属导电材料，这里不做具体限定。

本实施例中，如图1所示，气体感测装置还包括开关管5，开关管5设置在基底1上，开关管5的第一极51电连接第一电极2。当该开关管5的栅极52打开后，气敏件4产生的电流由开关管5的第二极53流出，从而实现了对气敏件4上电流的输出控制。开关管5的设置，能对气敏件4产生的电流的输出进行控制，从而实现该气体感测装置的灵敏检测。

优选的，本实施例中，开关管5的栅极52、栅绝缘层54、有源层55、第一极51和第二极53依次远离基底1设置；第一极51和第二极53同层设置；栅绝缘层54还延伸至基底1与第一电极2、第二电极3及气敏件4之间；第一极51还延伸至第一电极2与栅绝缘层54之间以及第二电极3与栅绝缘层54之间。该结构设置能使气体感测装置的结构更加紧凑，体积更小，从而减小了其使用时的占用空间。

本实施例中，气体感测装置还包括第一绝缘层6和遮挡层7，第一绝缘层6设置于开关管5背离基底1的一侧，第一绝缘层6中开设有过孔61，第一电极2、第二电极3和气敏件4位于过孔61中；如此设置，能使该气体感测装置的结构更加紧凑，体积和占用空间更小。遮挡层7设置于第一绝缘层6的背离开关管5的一侧，且遮挡层7在基底1上的正投影覆盖开关管5，遮挡层7能遮挡照射至开关管5的环境光线。遮挡层7的设置，对照射至开关管5的环境光进行遮挡，从而避免环境光照射使开关管5的漏电流增大，进而避免开关管5漏电流对气敏件4上输出电流的影响，确保了气敏件4上输出电流检测的精确度。

其中，遮挡层7采用不透光金属材料。该材料的遮光和散热性能更好。当然，遮挡层7也可以采用其他不透光材料，这里不做具体限定。

另外，本实施例中，如图3所示，气体感测装置还包括检测电路8，检测电路8的输入端电连接开关管5的第二极，检测电路8用于接收气敏件4输出的电流，并将电流转换为被测气体的浓度。检测电路8通常独立设置在基底1的外部。检测电路8的设置，实现了该气体感测装置对被测气体浓度的检测。

检测电路8对被测气体浓度的转换具体为：检测电路8中设置有电流和气体浓度的对应关系表，根据电流的大小对应找到相应的气体浓度，并将该气体浓度确定为被测气体的浓度。检测电路8的该转换功能为现有的常规功能，这里不再详细阐述。

需要说明的是，检测电路8也可以设置为能将气敏件4输出的电流转换为被测气体的其他参数(如流量，体积)的电路，具体可根据实际应用需要具体设置，这里不再赘述。

另外，气体感测装置所能感测的气体也不限于氨气，也可以是其他的能通过上述感测原理进行感测的气体。

基于气体感测装置的上述结构，本实施例还提供一种该气体感测装置的制备方法，包括：在基底上制备第一电极、第二电极和气敏件。

其中，第一电极和第二电极采用传统构图工艺制备。氧化石墨烯二维柔性材料的气敏件采用UVO法制备。具体为：

首先在基底上形成石墨烯材料的薄膜，然后经过UV光和臭氧处理制备氧化石墨烯材料的气敏件。UVO法处理石墨烯材料主要通过时间参数来控制UV光照和臭氧轰击的工作过程，本实施例中可通过UVO法处理石墨烯材料约7min，即可达到预期效果。该工艺为比较成熟的传统工艺，具体不再赘述。

另外，气体感测装置中开关管和检测电路的制备均为传统工艺，这里不再赘述。

本实施例的有益效果：本实施例所提供的气体感测装置，通过设置气敏件、第一电极和第二电极，在气体感测过程中能通过吸附被测气体分子，并将其转换为电流输出，从而对气体进行感测，克服了现有电化学气体传感器信号易衰减的缺陷、红外气体传感器输出信号微弱，无法直接使用的缺陷，以及半导体类气体传感器选择性不好，灵敏度不高，寿命短的缺陷，相对于现有的电参量气体传感器，该气体感测装置的选择性更好，灵敏度更高，且成本低，寿命长。

本发明实施例还提供一种气体检测设备，包括上述实施例中的气体感测装置。

其中，气体感测装置的数量为多个，多个气体感测装置呈阵列排布。

通过采用上述实施例中的气体感测装置，提高了该气体检测设备对气体进行检测的选择性和灵敏度，同时降低了该气体检测设备的成本，并提高了其寿命。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气体感测装置，包括基底和设置在所述基底上方的第一电极、第二电极和气敏件，其特征在于，所述气敏件设置于所述第一电极和所述第二电极的背离所述基底的一侧，所述第一电极和所述第二电极分设于所述气敏件的相对两端，且与所述气敏件相接触，用于向所述气敏件的相对两端施加极化电压，所述气敏件用于吸附被测气体分子，并将其转换为电流输出；所述第一电极还用于将所述气敏件产生的电流输出。

2.根据权利要求1所述的气体感测装置，其特征在于，所述气敏件采用氧化石墨烯二维柔性材料。

3.根据权利要求2所述的气体感测装置，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极采用铜钛合金材料。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的气体感测装置，其特征在于，还包括开关管，所述开关管设置在所述基底上，所述开关管的第一极电连接所述第一电极。

5.根据权利要求4所述的气体感测装置，其特征在于，所述开关管的栅极、栅绝缘层、有源层、所述第一极和第二极依次远离所述基底设置；所述第一极和所述第二极同层设置；

所述栅绝缘层还延伸至所述基底与所述第一电极、所述第二电极及所述气敏件之间；

所述第一极还延伸至所述第一电极与所述栅绝缘层之间以及所述第二电极与所述栅绝缘层之间。

6.根据权利要求5所述的气体感测装置，其特征在于，还包括第一绝缘层和遮挡层，所述第一绝缘层设置于所述开关管背离所述基底的一侧，所述第一绝缘层中开设有过孔，所述第一电极、所述第二电极和所述气敏件位于所述过孔中；

所述遮挡层设置于所述第一绝缘层的背离所述开关管的一侧，且所述遮挡层在所述基底上的正投影覆盖所述开关管，所述遮挡层能遮挡照射至所述开关管的环境光线。

7.根据权利要求6所述的气体感测装置，其特征在于，所述遮挡层采用不透光金属材料。

8.根据权利要求4所述的气体感测装置，其特征在于，还包括检测电路，所述检测电路的输入端电连接所述开关管的第二极，所述检测电路用于接收所述气敏件输出的电流，并将所述电流转换为被测气体的浓度。

9.一种气体检测设备，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的气体感测装置。

10.根据权利要求9所述的气体检测设备，其特征在于，所述气体感测装置的数量为多个，多个所述气体感测装置呈阵列排布。