CN111413375B - 一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气敏传感器相关技术领域，其公开了一种基于气敏膜‑电极界面电阻信号的气体传感器，传感器包括基底、测温电极、加热电极及多个气敏组件，所述测温电极、所述加热电极及多个所述气敏组件间隔设置在所述基底上；所述气敏组件包括至少三个测量电极及气敏膜，至少三个所述测量电极对称设置；至少三个所述测量电极间隔设置在所述基底上，所述气敏膜设置在所述基底上，且覆盖至少三个所述测量电极。本发明可以提供更多且更均匀的活性位点分布，可进一步增强传感器对气体的选择性；气敏膜‑测量电极接触界面易于调控，能够从器件层面增强对气体的选择性；且气敏膜‑测量电极接触电阻信号不易受到气敏膜颗粒生长的影响，长期稳定性好。

Description

一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器
技术领域
本发明属于气敏传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器。
背景技术
随着经济发展和科技的进步，人们对美好生活的需求日渐增长，环境保护逐渐受到重视，在所有评估环境的指标中，空气质量无疑是非常重要的一项。近年来，空气质量形势不容乐观，这主要是因为工业生产会产生有毒有害的废气，它们大都没有经过处理就直接排放到大气中，造成一系列的环境问题。解决这些问题的关键是一种能够监测这些有毒有害气体的技术，因此气体传感技术应运而生，它在工业领域有着重要的用途以及巨大的需求。
气体传感器作为此技术的产物，近年来得到了迅猛的发展。目前，商用的气体传感器主要分为金属氧化物(MOX)传感器、催化燃烧式传感器、电化学式传感器等。这其中，气体传感器由于其低功耗、低价格、可微型化等诸多优点得到最为广泛的应用。但是MOX传感器也存在一些不足之处，主要体现在：(1)金属氧化物气敏膜活性差，表面催化活性点分布不均，因而对气体的敏感性较差；(2)传感器在高温工作的时候，金属氧化物颗粒会长大，烧结颈变粗，导致导电通道改变，从而引起电阻变化，这种电阻变化在低浓度气氛检测时会造成致命的影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，所述传感器的同一个敏感材料气敏膜覆盖至少三个材料不同、但几何结构对称的测量电极；由于测量电极的结构对称性，相邻的测量电极之间的电阻值仅因为气敏膜-电极接触界面不同而产生差异；通过获取相邻的测量电极之间的电阻差异，可以获取气敏膜-电极界面电阻信号，上述气敏膜-电极接触界面属于异质界面，且测量电极可以提供更多且更均匀的活性位点分布，可有效增强传感器的敏感性和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，所述传感器包括基底、测温电极、加热电极及多个气敏组件，所述测温电极、所述加热电极及多个所述气敏组件间隔设置在所述基底上；
所述气敏组件包括至少三个测量电极及气敏膜，至少三个所述测量电极对称设置，即至少三个所述测量电极设置成一个对称结构；至少三个所述测量电极间隔设置在所述基底上，所述气敏膜设置在所述基底上，且覆盖至少三个所述测量电极；所述气体传感器通过获取相邻两个测量电极之间的电阻差异来获取气敏膜-电极界面的电阻信号。
进一步地，所述气体传感器通过获取相邻两个测量电极之间的电阻差异来获取气敏膜-电极界面的电阻信号；所述加热电极用于外接电源，以对所述气体传感器进行加热，使得所述气体传感器维持在预定工作温度。
进一步地，所述测温电极用于获取实时温度值，以对所述气体传感器的工作温度进行调节。
进一步地，所述基底的材料为陶瓷、硅及玻璃中的任一种，所述加热电极及所述测温电极的材料均为铂金属。
进一步地，所述基底的厚度为0.01mm～0.5mm。
进一步地，所述测量电极的数量为三个，三个所述测量电极分别为测量电极1、测量电极2及测量电极3。
进一步地，所述气体传感器通过测量所述测量电极1与所述测量电极2之间的电阻R1、以及所述测量电极2与所述测量电极3之间的电阻R2，进而获取R1与R2之差，作为气敏膜-电极接触界面电阻信号。
进一步地，所述测量电极的材料为纯金属或者合金，所述气敏膜的材料为半导体金属氧化物。
进一步地，所述测量电极的结构为均质单层或者异质多层。
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，本发明提供的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器主要具有以下有益效果：
1.气敏膜-测量电极接触界面易于调控，能够从器件层面增强对气体的敏感性；而且气敏膜-测量电极接触电阻信号不容易受到气敏膜颗粒生长的影响，有较强的长期稳定性。
2.测量电极的成分、结构、形状可以任意组合，如此使得所述气体传感器能够兼容更多工艺，适用性较好。
3.所述气体传感器的结构简单，易于制作，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器的结构示意图；
图2是图1中的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器的气敏组件的示意图；
图3是图1中的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器的检测原理图；
图4是图1中的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器的分解示意图；
图5是图2中的气敏组件的测量电极分布示意图；
图6中的(a)～(l)分别是不同组分的测量电极示意图。
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。
请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，所述气体传感器包括基底、测温电极、加热电极及多个气敏组件，所述测温电极、所述加热电极及多个所述气敏组件间隔设置在所述基底上。
其中，所述加热电极用于外接电源，以对所述气体传感器进行加热，使得所述气体传感器能达到制定工作温度；所述测温电极用于获取实时温度值并反馈，以对所述气体传感器的工作温度进行控制；所述基底的材料为绝缘、导热良好且热膨胀系数合适的，形状尺寸任意。本实施方式中，所述基底的材料为三氧化二铝陶瓷，所述加热电极及所述测温电极的材料均为铂金属；所述基底的厚度为0.01mm～0.5mm，优选的，所述基底的厚度为0.1mm。
所述气敏组件包括至少三个测量电极及气敏膜，至少三个所述测量电极对称设置，即至少三个所述测量电极设置成一个对称结构。至少三个所述测量电极间隔设置在所述基底上，所述气敏膜设置在所述基底上，且覆盖至少三个所述测量电极。本实施方式中，所述测量电极的数量为三个，三个所述测量电极分别为测量电极1、测量电极2及测量电极3。
所述测量电极的材料可以是纯金属或者合金，所述气敏膜的材料为任意一种半导体金属氧化物及其复合或者改性材料；所述测量电极的结构可以是均质单层(如单相、机械混合的多相等)或异质多层(如叠层结构、岛状叠层结构等)等或其中的任意组合；所述气敏膜结构任意(如纳米棒、纳米线、纳米颗粒等)。
请参阅图5，气敏组件的测量电极形状设计成插齿。插齿电极左右对称，那么对于一个覆盖整个测量电极的气敏膜，其左右插齿上膜的体电阻是相等的，即满足本发明测量方法获取接触电阻差信号的基本条件。其次，图中测量电极1、测量电极2、测量电极3的成分可以是金属、合金、半导体等或其中的任意组合；优选的，测量电极1成分为铂和金，测量电极2和测量电极3的成分为铂，使得左右插齿与气敏膜接触界面不一致而产生信号差异，且铂和金为电的良导体，测试时不会造成过大的功耗。最后，所述测量电极1、测量电极2、测量电极3的结构可以是均质(如单相结构、合金结构等)或异质(如叠层结构、岛状叠层结构、复合相结构等)等或其中的任意组合；优选的，测量电极1的结构为铂-金岛状叠层结构，测量电极2和测量电极3的结构为铂金属单相结构，对于测量电极1而言，催化位点更加均匀且密集，增大左右插齿与气敏膜接触界面的差异，放大接触电阻差异信号。
如图6所示，在本发明的一个实施例中，提供了气敏组件的测量电极成分的所有可能组合。图6中的(a)、(d)、(g)、(j)展示了测量电极1成分为Pt时的可能的电极成分组合情况；(b)、(e)、(h)、(k)展示了测量电极1成分为Au时的可能的电极成分组合情况；(c)、(f)、(i)、(l)展示了测量电极1成分为Au—Pt时的可能的电极成分组合情况；需要指出的是，Au—Pt的材料可以是均质合金，也可以是异质叠层。
所述传感器工作时，假设电压表V和电流表A均为理想仪表；Vcc为电路外加电压，可自行选择，是已知量；R1是所述测量电极1和所述测量电极2之间的电阻；R2是所述测量电极2和所述测量电极3之间的电阻，它们均包含有金属氧化物气敏膜体电阻(Rb1和Rb2)和气敏膜与测量电极接触界面电阻(Rs1和Rs2)；Vout和Iout为需要测量的数据；GND代表接地。
其次，根据分压定律，可以得到如下两个等式：
Vcc＝Iout(R1+R2)＝Iout[(Rs1+Rb1)+(Rs2+Rb2)] (1)
Vout＝IoutR2＝Iout(Rs2+Rb2) (2)
以R1和R2为未知量，解上述二元一次方程，可以得到：
Figure BDA0002470119760000061
Figure BDA0002470119760000062
进一步的，若Rb1＝Rb2，可得到：
Vcc-2Vout＝Iout(Rs1-Rs2)＝IoutΔRs (5)
如此，所述测量方法通过测量Vout和Iout值，获取了公式(5)所示气敏膜-电极接触界面电阻信号为ΔRs。本实施方式中，ΔRs为电阻R1与R2之间的差值。
当所述气体传感器测量气体浓度时，以测量空气时的电阻值作为参照，测量得到待测气体下的电阻值，将待测气体对应的电阻值与空气对应的电阻值的比值作为响应值，依据预先标定的响应值与浓度的关系曲线，即可获得待测气体的浓度。
综上所述，本发明提出的新型金属氧化物半导体气体传感器基于一个气敏膜及多个测量电极，输出了气敏膜-测量电极界面电阻信号。此外，测量电极1、测量电极2、测量电极3的形状、成分、结构均可任意组合，一方面，这使得本发明提供的气体传感器能够兼容更多工艺；另一方面，气敏膜-测量电极接触界面属于异质界面，催化反应效果更好，具有更好的气体敏感性；而且气敏膜-测量电极接触电阻信号不容易受到气敏膜颗粒生长的影响，有较强的长期稳定性，这意味着本发明在气体泄漏检测、环境监测等方面具有非常广泛的应用前景。
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)

1.一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：
所述气体传感器包括基底、测温电极、加热电极及多个气敏组件，所述测温电极、所述加热电极及多个所述气敏组件间隔设置在所述基底上，且所述测温电极、所述加热电极及多个所述气敏组件位于所述基底的同一侧；
所述气敏组件包括至少三个测量电极及气敏膜，至少三个所述测量电极对称设置，即至少三个所述测量电极设置成一个对称结构；至少三个所述测量电极间隔设置在所述基底上，所述气敏膜设置在所述基底上，且覆盖至少三个所述测量电极；所述气体传感器通过获取相邻两个测量电极之间的电阻差异来获取气敏膜-电极界面的电阻信号。
2.如权利要求1所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：至少三个所述测量电极的材料不同；所述加热电极用于外接电源，以对所述气体传感器进行加热，使得所述气体传感器维持在预定工作温度。
3.如权利要求1所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：所述测温电极用于获取实时温度值，以对所述气体传感器的工作温度进行调节。
4.如权利要求1所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：所述基底的材料为陶瓷、硅及玻璃中的任一种，所述加热电极及所述测温电极的材料均为铂金属。
5.如权利要求1所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：所述基底的厚度为0.01mm～0.5mm。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：所述测量电极的数量为三个，三个所述测量电极分别为测量电极1、测量电极2及测量电极3。
7.如权利要求6所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：所述气体传感器通过测量所述测量电极1与所述测量电极2之间的电阻R1、以及所述测量电极2与所述测量电极3之间的电阻R2，进而获取R1与R2之差，作为气敏膜-电极接触界面电阻信号。
8.如权利要求1-5任一项所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：所述测量电极的材料为纯金属或者合金，所述气敏膜的材料为半导体金属氧化物。
9.如权利要求1-5任一项所述的基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其特征在于：所述测量电极的结构为均质单层或者异质多层。
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