CN111007109A - 一种梯度微孔过滤气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气体传感器制造领域，并具体公开了一种梯度微孔过滤气体传感器及其制备方法。该传感器包括从上至下依次设置的采样上腔室、传感阵列、电路板和采样下腔室，其中：采样上腔室用于通入测试气体并将其送入传感阵列；传感阵列包括预设数量的传感单元，用于对测试气体进行梯度微孔过滤；电路板与传感阵列连接，用于接收传感阵列的识别信号；采样下腔室用于通入零气，从而保证采样下腔室的气压小于采样上腔室的气压，提高测试气体的通过速度。本发明能够在上下腔室内形成气压差，有效提高测试气体的通过速度，进而缩短响应恢复时间，同时能够实现测试气体的梯度微孔过滤，实现复杂气氛的多组分气体检测。

Description

一种梯度微孔过滤气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于气体传感器制造领域，更具体地，涉及一种梯度微孔过滤气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体多组分检测是一种区分各组分气体的类别及相应浓度的检测方式，对于空气质量检测和工业气体排放组分检测十分重要。其检测种类和方式十分丰富，传统的方式一般采用气相色谱、离子迁移谱、连续光谱吸收等技术，基于气体的扩散属性、离化属性或光谱吸收属性，在对应的扩散时间谱、离子迁移空间谱、吸收光谱上展开信号，从而区分多组分中各组分气体对应的种类和浓度。但利用气体谱学信号来分离各种气体存在着一定局限性，特别是由于检测设备的繁重无法做到微型化、低功耗，更因为其高昂的成本限制了其广泛应用。
半导体气体传感器是一种结构最简单、最易微型化的传感器，但其对各类气体的检测无法做到“一对一”的高选择性。为实现多组分气体的检测，可利用微孔过滤膜与气敏膜组合的方式进行气体筛分检测。
目前，利用丝网印刷、原位生长等方式，能在气敏膜上沉积一层微孔膜，但这种接触式叠层结构会存在以下问题：1.过滤膜下传感器的响应恢复速度极慢；2.微孔过滤膜的成膜需以气敏膜为晶种/基体，较难制备连续过滤膜；3.原位生长等制备方法较难兼容半导体批量工艺；4.金属氧化物气敏膜需要在一定工作温度(室温至400℃)下工作，温度冲击易导致微孔过滤膜结构破损。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种梯度微孔过滤气体传感器及其制备方法，其中该传感器通过在传感阵列两侧设置采样上腔室和采样下腔室，能够在上下腔室内形成气压差，有效提高测试气体的通过速度，进而缩短响应恢复时间，同时利用梯度微孔过滤实现待测气体的分离，提高测试的准确度，此外本发明还采用了气敏膜与微孔过滤膜空间隔离式的叠层结构，有效解决了气敏膜与微孔过滤膜接触式叠层结构存在的问题，因而尤其适用于气体测试的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种梯度微孔过滤气体传感器，其包括从上至下依次设置的采样上腔室、传感阵列、电路板和采样下腔室，其中：
所述采样上腔室用于通入测试气体并将其送入所述传感阵列；
所述传感阵列利用具有通气口的封装外壳进行密封，其包括预设数量的传感单元，用于对测试气体进行识别，同时所述传感单元中微孔过滤膜的孔径沿水平方向依次减小，从而实现对所述测试气体的梯度微孔过滤；
所述电路板与所述传感阵列连接，用于接收所述传感阵列的识别信号；
所述采样下腔室用于通入零气，从而保证所述采样下腔室的气压小于所述采样上腔室的气压，提高测试气体的通过速度。
作为进一步优选地，所述传感单元包括从下至上依次设置的金属电极、气敏膜、多孔基板和微孔过滤膜，其中利用绝缘支架支撑所述多孔基板，从而保证所述气敏膜与微孔过滤膜实现空间隔离。
作为进一步优选地，所述传感单元的数量大于等于两个。
按照本发明的另一方面，提供了一种梯度微孔过滤气体传感器的制备方法，其包括如下步骤：
S1沿水平方向在基片上制备预设数量的金属电极；
S2在每个所述金属电极的上表面制备气敏膜；
S3在所述基片上制备绝缘支架，同时在所述绝缘支架的上侧制备覆盖所有气敏膜的多孔基板；
S4制备预设孔径的多孔过滤膜覆盖所述多孔基板，从而获得传感单元；
S5重复步骤S1～S4，直至在所述基片上制得预设数量的传感单元，并且所述传感单元中微孔过滤膜的孔径沿水平方向逐渐减小，以此获得传感阵列；
S6利用具有通风口的封装外壳将所述传感阵列进行封装，并将其与电路板连接，同时在所述传感阵列的上侧设置采样上腔室，在所述电路板的下侧设置采样下腔室，最终制得所述梯度微孔过滤气体传感器。
作为进一步优选地，所述基片为陶瓷基片或玻璃基片。
作为进一步优选地，在所述步骤S1中，采用光刻、溅射、刻蚀的方式制备所述金属电极。
作为进一步优选地，在所述步骤S2中，采用微喷成膜的方式制备所述气敏膜。
作为进一步优选地，在所述步骤S3中，采用MEMS工艺制备所述绝缘支架和多孔基板。
作为进一步优选地，在所述步骤S4中，采用微喷成膜的方式制备所述多孔过滤膜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供的梯度微孔过滤传感器通过设置采样上腔室和采样下腔室，并在采样下腔室中通入零气，能够在上下腔室内形成气压差，有效提高测试气体的通过速度，进而缩短响应恢复时间，同时通过设置微孔过滤膜直径逐渐缩小的传感单元，能够实现测试气体的梯度微孔过滤，基于分子筛分效应分离不同尺寸的气体分子，以在分子尺寸上对气体响应信号进行谱学展开，实现复杂气氛的多组分气体检测，避免单纯靠模式识别难以选用合适数学模型和训练量大的问题，并且具有微型化、低功耗的优点，对于将气体检测之一功能应用在各种可移动设备上带来新的可能；
2.尤其是，本发明通过在传感单元中设置绝缘支架，对多孔基板进行支撑，能够将微孔过滤膜和气敏膜进行空间隔离，使得微孔过滤膜的成膜无需以气敏膜为晶种/基体，并且气敏膜的工作温度不再影响微孔过滤膜，微孔过滤膜的组成可以包含低耐温的有机物，且无温度冲击，因而具有较强的稳定性。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的梯度微孔过滤气体传感器的剖视图；
图2是图1中圈出部分的局部放大图；
图3是按照本发明优选实施例构建的梯度微孔过滤气体传感器的结构示意图；
图4是传感阵列的俯视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-采样下腔室，2-封装帽，3-电路板，4-IC管壳，5-绝缘支架，6-传感阵列芯片，7-多孔基板，8-采样上腔室，9-金属电极，10-气敏膜，11-微孔，12-微孔过滤膜，13气敏膜微腔室。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～4所示，本发明实施例提供了一种梯度微孔过滤气体传感器，其包括从上至下依次设置的采样上腔室8、传感阵列、电路板3和采样下腔室1，其中：
采样上腔室8用于通入测试气体并将其送入传感阵列；
传感阵列利用具有通气口的封装外壳进行密封，其包括大于等于两个的传感单元，用于对测试气体进行识别，同时传感单元中微孔过滤膜的孔径沿水平方向依次减小，从而实现对测试气体的梯度微孔过滤；
电路板3与传感阵列连接，用于接收传感阵列的识别信号；
采样下腔室1用于通入零气，从而保证采样下腔室1的气压小于采样上腔室8的气压，提高测试气体的通过速度。
进一步，传感单元包括从下至上依次设置的金属电极9、气敏膜10、多孔基板7和微孔过滤膜12，其中利用绝缘支架5支撑多孔基板7，并且多孔基板7具有大量微孔11，为气体输送提供通道，从而保证气敏膜10与微孔过滤膜12实现空间隔离，进而将微孔过滤膜和气敏膜进行空间隔离，使得微孔过滤膜的成膜无需以气敏膜为晶种/基体，并且气敏膜的工作温度不再影响微孔过滤膜，微孔过滤膜的组成可以包含低耐温的有机物，且无温度冲击，因而具有较强的稳定性。
按照本发明的另一方面，提供了一种梯度微孔过滤气体传感器的制备方法，其包括如下步骤：
S1沿水平方向采用光刻、溅射、刻蚀的方式在陶瓷基片或玻璃基片上制备预设数量的金属电极9，获得传感阵列芯片6；
S2采用微喷成膜的方式在每个金属电极9的上表面制备气敏膜10，并获得气敏膜微腔室13；
S3采用MEMS工艺在基片上制备绝缘支架5，同时在绝缘支架5的上侧制备覆盖所有气敏膜10的多孔基板7(孔径为微米级)；
S4利用共混法制备多孔材料的铸膜液，然后采用微喷成膜的方式制备预设孔径的多孔过滤膜12覆盖多孔基板7，从而获得传感单元；
S5重复步骤S1～S4，直至在基片上制得预设数量的传感单元，并且传感单元中微孔过滤膜12的孔径沿水平方向逐渐减小，以此获得传感阵列；
S6利用具有通风口的封装外壳将传感阵列进行封装，利用封装帽2与IC管壳4连接，并通过IC管壳4底面焊点与电路板3上的焊盘连接，同时在传感阵列的上侧设置采样上腔室8，在电路板3的下侧设置采样下腔室1，最终制得梯度微孔过滤气体传感器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梯度微孔过滤气体传感器，其特征在于，该传感器包括从上至下依次设置的采样上腔室(8)、传感阵列、电路板(3)和采样下腔室(1)，其中：
所述采样上腔室(8)用于通入测试气体并将其送入所述传感阵列；
所述传感阵列利用具有通气口的封装外壳进行密封，其包括预设数量的传感单元，用于对测试气体进行识别，同时所述传感单元中微孔过滤膜的孔径沿水平方向依次减小，从而实现对所述测试气体的梯度微孔过滤；
所述电路板(3)与所述传感阵列连接，用于接收所述传感阵列的识别信号；
所述采样下腔室(1)用于通入零气，从而保证所述采样下腔室(1)的气压小于所述采样上腔室(8)的气压，提高所述测试气体的通过速度。
2.如权利要求1所述的梯度微孔过滤气体传感器，其特征在于，所述传感单元包括从下至上依次设置的金属电极(9)、气敏膜(10)、多孔基板(7)和微孔过滤膜(12)，其中利用绝缘支架(5)支撑所述多孔基板(7)，从而保证所述气敏膜(10)与微孔过滤膜(12)实现空间隔离。
3.如权利要求1或2所述的梯度微孔过滤气体传感器，其特征在于，所述传感单元的数量大于等于两个。
4.一种制备如权利要求1～3任一项所述的梯度微孔过滤气体传感器的方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
S1沿水平方向在基片上制备预设数量的金属电极(9)；
S2在每个所述金属电极(9)的上表面制备气敏膜(10)；
S3在所述基片上制备绝缘支架(5)，同时在所述绝缘支架(5)的上侧制备覆盖所有气敏膜(10)的多孔基板(7)；
S4制备预设孔径的多孔过滤膜(12)覆盖所述多孔基板(7)，从而获得传感单元；
S5重复步骤S1～S4，直至在所述基片上制得预设数量的传感单元，并且所述传感单元中微孔过滤膜(12)的孔径沿水平方向逐渐减小，以此获得传感阵列；
S6利用具有通风口的封装外壳将所述传感阵列进行封装，并将其与电路板(3)连接，同时在所述传感阵列的上侧设置采样上腔室(8)，在所述电路板(3)的下侧设置采样下腔室(1)，最终制得所述梯度微孔过滤气体传感器。
5.如权利要求4所述的梯度微孔过滤气体传感器的制备方法，其特征在于，所述基片为陶瓷基片或玻璃基片。
6.如权利要求4所述的梯度微孔过滤气体传感器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用光刻、溅射、刻蚀的方式制备所述金属电极(9)。
7.如权利要求4所述的梯度微孔过滤气体传感器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用微喷成膜的方式制备所述气敏膜(10)。
8.如权利要求4所述的梯度微孔过滤气体传感器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用MEMS工艺制备所述绝缘支架(5)和多孔基板(7)。
9.如权利要求4～8任一项所述的梯度微孔过滤气体传感器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，采用微喷成膜的方式制备所述多孔过滤膜(12)。
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