CN111830087A - 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置 - Google Patents

一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN111830087A
CN111830087A CN202010709100.7A CN202010709100A CN111830087A CN 111830087 A CN111830087 A CN 111830087A CN 202010709100 A CN202010709100 A CN 202010709100A CN 111830087 A CN111830087 A CN 111830087A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
light
temperature
array
sensing pixels
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010709100.7A
Other languages
English (en)
Inventor
范智勇
周清峰
陈卓
丘勇才
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ai Gan Technology Guangdong Co ltd
Original Assignee
Ai Gan Technology Guangdong Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ai Gan Technology Guangdong Co ltd filed Critical Ai Gan Technology Guangdong Co ltd
Priority to CN202010709100.7A priority Critical patent/CN111830087A/zh
Publication of CN111830087A publication Critical patent/CN111830087A/zh
Priority to CN202110823702.XA priority patent/CN113358711B/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C3/00—Assembling of devices or systems from individually processed components
    • B81C3/001—Bonding of two components
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于光和温度调控的气体传感器阵列，至少包括基底和设置在基底上的由若干传感像素排布形成的传感像素阵列，传感像素包括至少一个加热组件、气敏单元和至少一个发光二极管，气敏单元设置于加热组件和发光二极管之间，加热组件以与气敏单元相对应的方式设置在基底内，发光二极管设置在其照射范围能够覆盖气敏单元表面的空间位置，在加热组件的温度参数和发光二极管的光参数分别独立变化的情况下，气敏单元中的电阻基于温度参数、光参数及其温度参数和光参数构成的组合参数的影响形成对于气体氛围具有差异化影响的若干种电阻参数，从而基底上的传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。

Description

一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置
技术领域
本发明属于气体传感技术领域，尤其涉及一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置。
背景技术
传统的金属氧化物气体传感器由于对多种气体存在交叉响应，因而具有较差的气体选择性，容易受干扰气体影响。将有差异的多个金属氧化物气体传感器作为多个像素集成到传感器阵列中，可根据阵列中传感器的差异性响应生产对不同气体或混合气体的响应模式，利用模式识别算法或神经网络，可有效分辨不同气体，及检测混合气体中各组分的浓度。传感器阵列并非简单将多个传感器放置在一起，未来的技术发展趋势更在于传感器阵列的简单制备，与高度集成。
现有的气体传感器阵列多为平面结构，通过将多个叉指电极(Finger Electrode)或多个源漏电极对(Source-Drain Electrode Pair)集成在单块基底上，并沉积不同的气体传感器材料，配合打线接合，可将传感器阵列的信号引出至芯片载体上。另一种制备阵列的方式，是采用同种材料，通过温度或光学进行调控。由于不同温度或者光照条件下传感器的相应特征亦不相同，通过进行温度或者光的周期性调控，可实现单一材料传感器在调控周期内的不同时间的差异性响应，达到传感器阵列的效果。利用不同气敏材料制备气体传感器阵列的方法，可利用不同材料对气体的特异性反应，根据目标气体快速选择气敏材料。但由于不同材料制备方法各异，要制备大型传感器阵列(如10x10共100个像素)将非常困难。而采用同种气敏材料，并使用温度或者光学调控的方法，虽然可以使用细致的温度或光学梯度，快速产生上万个虚拟传感器，然而由于同种材料本身的限制，难以对某些非敏感的气体产生响应，限制了其应用场景。
例如，公开号为CN107219270B的专利文献，其公开了一种新型基于还原氧化石墨烯-二硫化钨复合材料氨气气体传感器的制备工艺，包括气敏复合材料以及传感器基板，复合气敏材料是利用一步水热合成获得的纳米材料，所述的气敏材料均匀涂覆与传感器基板的金叉指电极上，传感器基板背面加热板的瞬间加热温度是140℃，加热恢复时间是随检测气体浓度线性变化。本发明的还原氧化石墨烯-二硫化钨复合材料在室温环境中对氨气表现出良好的响应性能，具有良好的选择性、稳定性以及可重复性等。此发明中的气体传感器恢复阶段，使用瞬态加热在有效缩短还原所需时间的同时，不会对气体敏感材料的性能产生影响，具体瞬态加热时间可以根据探测获得的气体浓度进行设定。
中国专利CN110687170A公开了一种基于紫外光波段的TiO2/SnO2甲醛气体传感器，其特征在于，该TiO2/SnO2甲醛气体传感器主要由紫外光光源、气敏材料以及叉指电极板组成，所述气敏材料涂覆在所述叉指电极板表面，涂覆厚度为1μm～100μm；所述的气敏材料成分为二氧化锡和二氧化钛异质结复合纳米材料。该专利通过利用紫外光照射来促进气敏材料的敏感性，消除加热组件以减少气敏材料的热量影响，但是其没有涉及紫外光的调节与气敏材料的改变相关联的内容。
中国专利CN102735712B公开了一种基于微井的气体传感器阵列，其特征在于：包括至少4个独立的微井单元，每个微井单元包括SOI晶片，所述SOI晶片顶部硅层面上从下到上依次设置有氧化硅掩膜层、加热电极层、氧化硅层、叉指电极，所述叉指电极上设置有矩形的微井隔离层，所述微井内设置有复合敏感膜层，所述SOI晶片的硅基底成“凹面型”，且凹面的两脚上均设置有氧化硅层。该专利公开了通过加热电极来独立控制温度，从而提高了传感器的灵敏度和响应恢复时间的内容。但是该专利也没有涉及通过光的调节来改变漆面材料对不同气体的灵敏度的内容。
如上所述，现有技术中没有将光和温度同时作为调节因素来改变气敏材料对不同气体的响应灵敏度。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供一种基于光和温度调控的气体传感器阵列，至少包括基底和设置在所述基底上的由若干传感像素排布形成的传感像素阵列，所述传感像素至少包括至少一个加热组件、气敏单元和至少一个发光二极管，所述气敏单元设置于所述加热组件和发光二极管之间，其中，至少一个所述加热组件以与所述气敏单元相对应的方式设置在所述基底内，至少一个发光二极管设置在其照射范围能够覆盖所述气敏单元表面的空间位置，在所述加热组件的温度参数和所述发光二极管的光参数分别独立变化的情况下，所述气敏单元中的电阻基于所述温度参数、所述光参数及其所述温度参数和所述光参数构成的组合参数的影响形成对于气体氛围具有差异化响应的若干种电阻参数，在至少两个传感像素的温度或光非同步变化的情况下，所述基底上的传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。本发明能够明显地大幅度增加了传感器阵列能够探测的气体种类。即使在探测气体种类数量相同的情况下，本发明也能够以指数级缩小传感器阵列的体积，实现纳米级别的传感器阵列体积，占用的空间体积更小。
优选的，在所述发光二极管的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化的情况下，所述气敏单元形成与所述光变化曲线对应的电阻变化曲线，从而构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应的独立传感像素。有利于通过时间维度的扩展来丰富能够探测的气体分子的种类。
优选的，在所述发光二极管的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化的情况下，所述传感像素阵列中的独立传感像素内的所述发光二极管的光参数非同步变化，从而所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。有利于通过不同传感像素的气体分子探测时间错序的方式来克服对同一种气体分子探测间隔较长导致的响应延迟的缺陷，提高气体传感器阵列的灵敏度。
优选的，在所述加热组件的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化的情况下，所述气敏单元形成与所述温度变化曲线对应的电阻变化曲线，从而构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应的独立传感像素。有利于通过调控温度来增加探测的气体种类，从而避免对光较敏感的气体分子的损失性探测。
优选的，在所述加热组件的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化的情况下，所述传感像素阵列中的独立传感像素内的所述加热组件的温度参数非同步变化，从而所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。有利于通过不同传感像素的气体分子探测时间错序的方式来克服对同一种气体分子探测间隔较长导致的响应延迟的缺陷，提高气体传感器阵列的灵敏度。
优选的，在独立传感像素的由加热组件按照温度变化曲线的温度变化过程和由发光二极管按照光变化曲线的光变化过程交替进行的情况下，所述传感像素阵列中的至少两个独立传感像素以非同步变化的方式对气体形成差异化响应，所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。有利于在不同的季节和场所，适应性地选择光或温度的调控方式，从而不需要通过更改硬件组件来实现气体传感器阵列的更换。
优选的，所述气敏单元包括至少一对叉指电极和至少一种金属氧化物涂层，所述叉指电极设置在所述基底的表面，至少一种金属氧化物涂层涂覆在所述叉指电极上，所述加热组件以与所述叉指电极非直接接触的方式设置在所述基底内，其中，所述加热组件与所述叉指电极在不同高度上的水平交集范围不少于50％。有利于提高加热组件对气敏单元的影响，从而提高通过温度来调控气敏单元的控制力。优选的，加热组件设置在叉指电极对的正投影范围内，即加热组件气体种类与所述叉指电极气体种类在不同高度上的水平交集范围为100％。
本发明还提供一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法，所述方法包括：将至少一个所述加热组件以与气敏单元相对应的方式设置在所述基底内，将至少一个发光二极管设置在其照射范围能够覆盖气敏单元表面的空间位置，使得所述气敏单元设置于所述加热组件和发光二极管之间，从而至少一个加热组件、气敏单元和至少一个发光二极管构成传感像素，将若干传感像素在基底上排布形成传感像素阵列，其中，在所述加热组件的温度参数和所述发光二极管的光参数分别独立变化的情况下，所述气敏单元中的电阻基于所述温度参数、所述光参数及其所述温度参数和所述光参数构成的组合参数的影响形成对于气体氛围具有差异化响应的若干种电阻参数，在至少两个传感像素的温度或光非同步变化的情况下，所述基底上的传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
本发明的通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法还包括：
调控所述发光二极管的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化，所述气敏单元形成与所述光变化曲线对应的电阻变化曲线，从而独立传感像素构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应，调控传感像素阵列中的独立传感像素内的所述发光二极管的光参数非同步变化，从而所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。本发明的调控方法，尤其是对同一种气体分子能够进行时间错序的响应的调控，使得每一种气体分子的探测间隔时间都较短，从而使得气体传感器阵列不具有明显的响应延迟，具有较高的灵敏度和无限的气体分子种类的扩展。
本发明的通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法还包括：
调控所述加热组件的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化，所述气敏单元形成与所述温度变化曲线对应的电阻变化曲线，从而独立传感像素构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应；调控所述传感像素阵列中的独立传感像素内的所述加热组件的温度参数非同步变化，从而所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。有利于通过调控温度变化的方式扩展探测的气体分子种类，有利于通过不同传感像素的温度错序的方式对多种气体分子进行传感探测。
附图说明
图1是本发明的通过调控光和温度制备的气体传感器阵列的结构示意图。
附图标记列表
10：基底；20：加热组件；30：叉指电极；40：金属氧化物涂层；50：发光二极管。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
现有技术中的气体传感器以及传感器阵列，每个独立的传感像素只具有一种气体响应。即能够对若干种气体进行响应的传感器阵列由若干种传感像素构成，就会具有较大的体积，并且一个传感器阵列能够响应的气体种类是有限的，不是无限的。如何能够使得较小体积甚至微型体积的传感器阵列能够响应的气体种类不受限，是当前现有技术还没有解决的技术问题。
基于现有技术的不足，本发明提供一种基于光和温度调控的气体传感器阵列，还提供一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法。
实施例1
一种基于光和温度调控的气体传感器阵列，如图1所示，至少包括基底10和设置在基底10上的由若干传感像素排布形成的传感像素阵列。基底包括氮化硅Si3N4基底。
本发明的传感像素至少包括至少一个加热组件20、气敏单元和至少一个发光二极管50。气敏单元设置于加热组件20和发光二极管50之间。例如，在一个传感像素中，加热组件20可以是一个，也可以多于一个。优选的，加热组件包括电热丝、电热板、电热芯片等能够调控加热参数的组件。至少一个加热组件20以与气敏单元相对应的方式设置在基底10内。例如，加热组件通过MEMS工艺设置在基底内，并且加热组件与外部控制电路连接，能够进行独立加热。具体的，MEMS工艺是指以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。
如图1所示，以发光二极管的位置方向为上为示例进行说明。加热组件设置在气敏单元的下方。并且，加热组件与气敏单元之间的距离为气敏单元能够受到加热组件的温度稳定影响的距离。
本发明中，传感像素内的发光二极管的数量可以是一个也可以多于一个。至少一个发光二极管50设置在其照射范围能够覆盖气敏单元表面的空间位置，有利于气敏单元能够受到发光二极管的光参数的变化的稳定影响。每个发传感像素中的发光二极管与外部的控制电路相连并且能够独立开关和控制。发光二极管50与气敏单元之间的距离范围为两个气敏单元水平间距的75％至200％。优选的，气敏单元之间的水平间距相等。本发明的发光二极管的距离设置优势为，能够避免发光二极管太近且热度太热导致光面单元失效，也能够避免发光二极管太远造成的光影响不足的缺陷。发光二极管优选为紫外发光二极管和红外发光二极管。在发光二极管对光面单元的影响具有足够实验数据的情况下，发光二极管还可以是发出其他光类的发光二极管，或者是两种发光二极管的组合、更多种发光二极管的组合。
气敏单元包括至少一对叉指电极和金属氧化物涂层。叉指电极设置在基底的表面并形成叉指电极阵列。加热组件20以与叉指电极30非直接接触的方式设置在基底10内。其中，加热组件20与叉指电极30在不同水平高度上的水平交集范围不少于50％。优选的，叉指数量为5-10对。金属氧化物涂层涂覆在叉指电极对的表面，形成气敏薄膜。金属氧化物涂层例如是氧化锌薄膜。优选的，金属氧化物涂层上设置有至少一种金属颗粒修饰，从而形成具有不同金属修饰的金属氧化物薄膜。金属颗粒修饰物例如是氯化铜、四氯化锡、氯化铟等。
在加热组件20的温度参数和发光二极管50的光参数分别独立变化的情况下，气敏单元中的电阻基于温度参数、光参数及其温度参数和光参数构成的组合参数的影响形成对于气体氛围具有差异化响应的若干种电阻参数。
在至少两个传感像素的温度或光非同步变化的情况下，基底10上的传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。如此调控，本发明就能够通过较少的传感像素来对更多种气体进行差异性相应。例如，对于具有微小纳米级别体积的2x2阵列的传感器阵列，传统的传感器只能有4种气体的差异性相应，即只能探测到4种气体。本发明的单独的传感像素的光面单元，通过温度参数和光参数的曲线性变化具有N种电阻参数，即在有限的时间内对N中气体进行响应。则2X2阵列的传感像素非同步变化且温度变化曲线和光变化曲线均不相同，则在有限的时间内最多具有N4种气体的差异性响应，明显地大幅度增加了传感器阵列能够探测的气体种类。即使在探测气体种类系统的情况下，本发明也能够以指数级缩小传感器阵列的体积，实现纳米级别的传感器阵列体积，占用的空间体积更小。
在发光二极管50的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化的情况下，气敏单元形成与光变化曲线对应的电阻变化曲线，从而构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应的独立传感像素。
具体地，在不同光参数的照射下，气敏单元的电阻会发生变化，从而形成不同的电阻参数，使得气敏单元对气体氛围具有差异化响应。在光参数按照与时间相关的光变化曲线变化的情况下，气敏单元的电阻会会随时间变化。则气敏单元随时间变化对不同气体成分进行响应。因此，通过对独立传感像素的发光二极管的光参数的调控，本发明的有独立传感像素就能够对若干种气体成分进行差异化时间的响应，通过时间维度来扩展了探测气体的种类。
传感像素阵列中的独立传感像素内的发光二极管50的光参数非同步变化，从而传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
具体地，在气体传感器阵列中的传感像素全部按照同一种光变化曲线调控光参数的情况下，传感器阵列中的至少两个独立传感器像素非同步变化，则传感器阵列在每一时刻能够测量多种气体，随着时间的变化，传感器阵列能够每一时刻测量不同种类的多种气体，使得传感器阵列通过时间维度扩展了气体的种类，也通过阵列维度丰富了气体种类探测的时间变化，避免了由于响应时间靠后而导致响应延迟的缺陷，使得传感器阵列对多种气体的响应不具有延迟性，或者延迟性的差距进一步缩小。
在气体传感器阵列中的至少两个传感像素分别按照不同光变化曲线调控光参数的情况下，传感器阵列中的至少两个独立传感器像素非同步变化，从而传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
独立传感像素的光参数按照不同的光变化参数曲线变化，则每一时刻传感器阵列能够探测A种气体成分，每一个光变化曲线具有B种光参数。则在光参数变化过程完成的时间内能够探测AxB中气体成分。本发明通过光变化曲线的扩展来进一步丰富了能够探测和响应的气体种类。
本发明中，在加热组件20的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化的情况下，气敏单元形成与温度变化曲线对应的电阻变化曲线，从而构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应的独立传感像素。
在不同温度参数的影响下，气敏单元的电阻会发生变化，从而形成不同的电阻参数，使得气敏单元对气体氛围具有差异化响应。在温度参数按照与时间相关的温度变化曲线变化的情况下，气敏单元的电阻会会随时间变化。则气敏单元随时间变化对不同气体成分进行响应。因此，通过对独立传感像素的加热组件的温度参数的调控，本发明的独立传感像素就能够对若干种气体成分进行差异化时间的响应，通过时间维度来扩展了探测气体的种类。
传感像素阵列中的独立传感像素内的加热组件20的温度参数非同步变化，从而传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
具体地，在气体传感器阵列中的传感像素全部按照同一种温度变化曲线调控温度参数的情况下，传感器阵列中的至少两个独立传感器像素非同步变化，则传感器阵列在每一时刻能够测量多种气体。随着时间的变化，传感器阵列能够每一时刻测量不同种类的多种气体，使得传感器阵列通过时间维度扩展了气体的种类，也通过阵列维度丰富了气体种类探测的时间变化，避免了由于响应时间靠后而导致响应延迟的缺陷，使得传感器阵列对多种气体的响应不具有延迟性，或者延迟性的差距进一步缩小。
在气体传感器阵列中的至少两个传感像素分别按照不同温度变化曲线调控温度参数的情况下，传感器阵列中的至少两个独立传感器像素非同步变化，从而传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
独立传感像素的温度参数按照不同的温度变化参数曲线变化，则每一时刻传感器阵列能够探测C种气体成分，每一个温度变化曲线具有D种温度参数。则在温度参数变化过程完成的时间内能够最多探测CxD种气体成分。本发明通过温度变化曲线的扩展来进一步丰富了能够探测和响应的气体种类。
为了提高气体传感器真累的敏感度和探测的准确度，本发明的光变化曲线和温度变化曲线优选为阶梯型变化曲线。例如，每一个传感像素以10摄氏度为一个阶梯，每隔100ms进行一次升温直至温度升至300度，之后以10摄氏度为一个阶梯，每隔100ms进行一次降温直至室温。光参数包括强度参数、亮度参数等等。以光强度参数为例，每一个传感像素以最大光强的5％为一个阶梯，每隔100ms进行一次增光直至最大光强，之后以最大光强的5％为一个阶梯，每隔100ms进行一次减光直至最低光强。
本发明中，发光二极管的最大光强的数值是根据发光二极管的型号不同存在差异，并且由于不同波段的发光二极管的最大光强的数值有所差异，本发明不对最大光强的数值设置具体值。
本发明中，每一个传感像素的光变化过程和温度变化过程可以交替进行。则气体传感器阵列中的若干传感像素，在限定的时间内，有一部分进行与光变化相关的差异性响应，一部分进行与温度变化相关的差异性响应。或者，在限定时间内，气体传感器阵列中的若干传感像素全部进行与光变化相关的差异性响应，全部进行与温度变化相关的差异性响应。
在独立传感像素的由加热组件20按照温度变化曲线的温度变化过程和由发光二极管50按照光变化曲线的光变化过程交替进行的情况下，传感像素阵列中的至少两个独立传感像素以非同步变化的方式对气体形成差异化响应，传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。本发明将气体传感器阵列与光变化过程相关的差异性响应和与温度变化过程相关的差异性响应进行交替，能够进一步增加传感器阵列的探测气体种类，也进一步提高了气体成分的探测敏感性，同时也能够通过合理的调度来避免气体种类的响应延迟。对于具有A个传感像素的气体传感器阵列，气敏单元的电阻具有AxB+AxD种参数变化，则最多能够探测AxB+AxD种气体成分。
本发明还包括与气体传感器阵列的控制电路连接的控制器。控制器包括专用集成芯片、服务器、计算机、逻辑处理器、云服务器中的一种或几种。控制器按照光变化曲线或是温度变化曲线分别调度传感像素中的光参数或者温度参数来实现气体传感器阵列对不同气体的差异性响应。
实施例2
本实施例是对实施例1的进一步论述，重复的内容不再赘述。
本发明提供一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法，方法包括：将至少一个加热组件20以与气敏单元相对应的方式设置在基底10内。将至少一个发光二极管50设置在其照射范围能够覆盖气敏单元表面的空间位置，使得气敏单元设置于加热组件20和发光二极管50之间，从而至少一个加热组件20、气敏单元和至少一个发光二极管50构成传感像素，将若干传感像素在基底10上排布形成传感像素阵列。其中，在加热组件20的温度参数和发光二极管50的光参数分别独立变化的情况下，气敏单元中的电阻基于温度参数、光参数及其温度参数和光参数构成的组合参数的影响形成对于气体氛围具有差异化响应的若干种电阻参数。在至少两个传感像素的温度或光非同步变化的情况下，基底10上的传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
本发明中，加热组件的制备过程为：
S1：利用浓硫酸与过氧化氢清洗硅片，而后在去离子水中清洗并用氮气干燥。之后利用高温氧化在硅片上生长二氧化硅绝缘层1um；
S2：在上表面利用光刻、电子书蒸镀与剥离工艺沉积多个独立的铂金加热电阻丝0.1um-0.5um形成阵列及对应的加热电极，加热电阻丝几何形状为蜿蜒曲线；
S3：沉积氮化硅作为钝化层0.5um，并利用光刻与反应离子刻蚀在加热电极上方的钝化层开孔.
气敏单元的制备过程为：
S4：在加热丝的上方对应区域沉积多个独立的叉指电极作为传感区域并形成阵列，同时完成加热电极的引出；
S5：利用反应离子刻蚀将硅片背面加热区域的二氧化硅去除后，利用TMAH将加热区域下方的硅刻蚀掉形成空腔，减少热损耗；
若要获得较窄的指宽及指间距小于20um，可使用光刻配合电子束蒸镀及剥离工艺沉积铂金0.1um-0.5um；若指宽及指间距要求为30um以上，可利用激光切割的不锈钢掩模版与电子束蒸镀沉积铂金0.1um-0.5um。
以氧化锌量子点的制备为例作为金属氧化物涂层的制备过程的说明。
S6：配制乙酸锌酒精溶液，超声分散，乙酸锌的浓度为20-40mg/mL；
S7：将分散后的溶液在80度水浴环境中搅拌加热2小时；
S8：冷却至室温后，加入5-10mL的0.5-1M浓度的氢氧化钠酒精溶液，搅拌10分钟；
S9：加入0.1-1mL的油酸后，进行离心并用酒精清洗2-3次；
S10：重新分散到甲苯溶液中获得氧化锌量子点分散液；
S11：采用旋涂方式将氧化锌量子点沉积到MEMS微加热板上的叉指电极区域获得氧化锌薄膜200nm-2um；
S12：可选择使用不同的金属盐甲醇溶液例如氯化铜甲醇溶液、四氯化锡甲醇溶液、氯化铟甲醇溶液等在上述步骤S11获得的氧化锌薄膜上进行旋涂，甲醇溶剂自然挥发后，在200-300度空气中煅烧获得不同金属修饰的氧化锌薄膜。
本发明通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法还包括：
调控发光二极管50的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化，气敏单元形成与光变化曲线对应的电阻变化曲线，从而独立传感像素构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应，调控传感像素阵列中的独立传感像素内的发光二极管50的光参数非同步变化，从而传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。本发明的调控方法，使得气敏单元能够从时间维度和阵列维度两方面对探测的气体种类进行扩展，尤其是对同一种气体分子能够进行时间错序的响应的调控，使得每一种气体分子的探测间隔时间都较短，从而使得气体传感器阵列不具有明显的响应延迟，具有较高的灵敏度和无限的气体分子种类的扩展。
本发明通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法还包括：
调控加热组件20的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化，气敏单元形成与温度变化曲线对应的电阻变化曲线，从而独立传感像素构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应。调控传感像素阵列中的独立传感像素内的加热组件20的温度参数非同步变化，从而传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列，有利于通过调控温度变化的方式扩展探测的气体分子种类，有利于通过不同传感像素的温度错序的方式对多种气体分子进行传感探测。
在独立传感像素的由加热组件20按照温度变化曲线的温度变化过程和由发光二极管50按照光变化曲线的光变化过程交替进行的情况下，调控传感像素阵列中的至少两个独立传感像素以非同步变化的方式对气体形成差异化响应，所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。通过交替调控光变化过程和温度变化过程，有利于获得具有多种不同电阻参数的气敏单元，从而使得气体传感器阵列不仅探测的气体分子丰富，探测的气体分子的探测次数、探测几率都是可以进行调控的。
对于不同场所需要探测的气体分子种类，本发明不需要更改组装的硬件。仅需要通过调控温度参数和光参数等程序性数据，就能够实现所需探测的气体分子种类的更改，从而进一步节省了制造产品的成本，不需要对不同型号的传感器阵列进行库房积压。
本发明的气体传感像素阵列通过气敏材料的电阻变化来确定的气体分子种类的判断，是基于数据库中存储的模式识别算法来确定的。
对于独立的传感像素，本发明还可以通过同时调节温度和光来对传感像素的电阻进行调控，也可以通过对温度和光的同时调控来调节传感像素对于待测气体的检测灵敏度。
本发明的气体传感器阵列中的传感器的电信号或传感信号通过识别算法获得气体浓度信息。
在一种气体或几种气体与气体传感器阵列接触后，由于气体传感器阵列中每个传感器在不同温度及不同光照下对同种气体氛围的响应不同，因而气体传感器阵列中不同传感器的在不同温度及不同光照下的差异性响应组成了气体传感器阵列对于该种气体氛围的特定响应分布图，也可称为响应模式。利用模式识别算法如KNN，SVM等可以实现响应模式的识别，继而获得待测气体的信息。
基于模式识别算法建立气体浓度信息识别模型的具体流程为：
S21：先将气体传感器阵列暴露于已知的气体氛围中，对传感器所处的环境温度及光照强度进行阶梯性变化，记录阵列中所有传感器的响应数据曲线；
S22：更改气体氛围，记录不同气体氛围下阵列响应模式；
S23：利用获得的数据进行识别算法的训练；
S24：利用训练好的识别算法对未知的气体范围进行实地测试。这套模式识别算法根据复杂度，可以选择在所集成的板载微处理器上运算，直接把气体种类与浓度信息上传至云端。亦可将所有传感器的原始数据直接上传至云端，在云端服务器运算模式识别算法后，显示气体浓度种类与浓度信息。
理想情况下，气体传感器的数量等于待测的气体的种类数量，这种情况下每个气体传感器只对某一种气体有响应，即具有绝对的选择性。然而现实情况是，金属氧化物气体传感器常常对于多种气体都存在响应，无法利用单一传感器对某一种气体进行针对性的测试。针对这一不足，本发明采用的策略是，利用远多于待测气体种类数量的传感器组成阵列，并且进行温度与光照阶梯型调控，使得每一个传感器在每个温度与光照组合下对于待测气体的响应都存在差异。当气体传感器阵列与某种或某几种待测气体接触时，阵列中传感器的响应(如电阻的比例变化)存在一个差异性的分布，通过分析响应分布图，结合模式识别算法，得到所接触的气体种类与浓度。
传感器输出的信号需要经过识别算法后才可获得气体浓度与种类信息。在传感器出厂校准及识别算法训练时，将在某个温湿度组合下营造不同气体氛围，然后记录传感器阵列的输出数据，用于训练该温湿度组合下的不同气体氛围的识别算法。然后更改温湿度组合，获得新的温湿度组合下的不同气体氛围的识别算法。以此类推，在不同的温湿度梯度组合(温度0-40度，湿度20％到90％)下，都训练相对应的识别算法。因此在实际使用中，除了记录传感器阵列的输出外，本发明将记录此时的温湿度信息，而后选择与该温湿度组合最相近的识别算法，将阵列的输出转换为气体种类及浓度。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于光和温度调控的气体传感器阵列，其特征在于，至少包括基底(10)和设置在所述基底(10)上的由若干传感像素排布形成的传感像素阵列，
所述传感像素至少包括至少一个加热组件(20)、气敏单元和至少一个发光二极管(50)，所述气敏单元设置于所述加热组件(20)和发光二极管(50)之间，其中，
至少一个所述加热组件(20)以与所述气敏单元相对应的方式设置在所述基底(10)内，至少一个发光二极管(50)设置在其照射范围能够覆盖所述气敏单元表面的空间位置，
在所述加热组件(20)的温度参数和所述发光二极管(50)的光参数分别独立变化的情况下，所述气敏单元中的电阻基于所述温度参数、所述光参数及其所述温度参数和所述光参数构成的组合参数的影响形成对于气体氛围具有差异化响应的若干种电阻参数，
在至少两个传感像素的温度或光非同步变化的情况下，所述基底(10)上的传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
2.根据权利要求1所述的基于光和温度调控的气体传感器阵列，其特征在于，
在所述发光二极管(50)的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化的情况下，
所述气敏单元形成与所述光变化曲线对应的电阻变化曲线，从而构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应的独立传感像素。
3.根据权利要求2所述的基于光和温度调控的气体传感器阵列，其特征在于，
在所述发光二极管(50)的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化的情况下，
所述传感像素阵列中的独立传感像素内的所述发光二极管(50)的光参数非同步变化，从而
所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
4.根据权利要求3之一所述的基于光和温度调控的气体传感器阵列，其特征在于，
在所述加热组件(20)的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化的情况下，
所述气敏单元形成与所述温度变化曲线对应的电阻变化曲线，从而构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应的独立传感像素。
5.根据权利要求3所述的基于光和温度调控的气体传感器阵列，其特征在于，
在所述加热组件(20)的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化的情况下，
所述传感像素阵列中的独立传感像素内的所述加热组件(20)的温度参数非同步变化，从而
所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
6.根据权利要求4所述的基于光和温度调控的气体传感器阵列，其特征在于，
在独立传感像素的由加热组件(20)按照温度变化曲线的温度变化过程和由发光二极管(50)按照光变化曲线的光变化过程交替进行的情况下，
所述传感像素阵列中的至少两个独立传感像素以非同步变化的方式对气体形成差异化响应，所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
7.根据权利要求1～6任一项所述的基于光和温度调控的气体传感器阵列，其特征在于，
所述气敏单元包括至少一对叉指电极(30)和至少一种金属氧化物涂层(40)，
所述叉指电极(30)设置在所述基底(10)的表面，至少一种金属氧化物涂层(40)涂覆在所述叉指电极(30)上，
所述加热组件(20)以与所述叉指电极(30)非直接接触的方式设置在所述基底(10)内，其中，
所述加热组件(20)与所述叉指电极(30)在不同高度上的水平交集范围不少于50％。
8.一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法包括：
将至少一个所述加热组件(20)以与气敏单元相对应的方式设置在所述基底(10)内，
将至少一个发光二极管(50)设置在其照射范围能够覆盖气敏单元表面的空间位置，使得所述气敏单元设置于所述加热组件(20)和发光二极管(50)之间，从而至少一个加热组件(20)、气敏单元和至少一个发光二极管(50)构成传感像素，
将若干传感像素在基底(10)上排布形成传感像素阵列，其中，
在所述加热组件(20)的温度参数和所述发光二极管(50)的光参数分别独立变化的情况下，所述气敏单元中的电阻基于所述温度参数、所述光参数及其所述温度参数和所述光参数构成的组合参数的影响形成对于气体氛围具有差异化响应的若干种电阻参数，
在至少两个传感像素的温度或光非同步变化的情况下，所述基底(10)上的传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
9.根据权利要求8所述的通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法还包括：
调控所述发光二极管(50)的光参数按照与时间相关的光变化曲线单独变化，所述气敏单元形成与所述光变化曲线对应的电阻变化曲线，从而独立传感像素构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应，
调控传感像素阵列中的独立传感像素内的所述发光二极管(50)的光参数非同步变化，从而
所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
10.根据权利要求8所述的通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，
调控所述加热组件(20)的温度参数按照与时间相关的温度变化曲线单独变化，所述气敏单元形成与所述温度变化曲线对应的电阻变化曲线，从而独立传感像素构成对气体氛围具有若干种与时间相关的差异性响应；
调控所述传感像素阵列中的独立传感像素内的所述加热组件(20)的温度参数非同步变化，从而
所述传感像素阵列形成在同一时刻对气体氛围存在若干种差异性响应的气体传感器阵列。
CN202010709100.7A 2020-07-21 2020-07-21 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置 Pending CN111830087A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010709100.7A CN111830087A (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置
CN202110823702.XA CN113358711B (zh) 2020-07-21 2021-07-20 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010709100.7A CN111830087A (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111830087A true CN111830087A (zh) 2020-10-27

Family

ID=72924721

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010709100.7A Pending CN111830087A (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置
CN202110823702.XA Active CN113358711B (zh) 2020-07-21 2021-07-20 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110823702.XA Active CN113358711B (zh) 2020-07-21 2021-07-20 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (2) CN111830087A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092541A (zh) * 2021-04-08 2021-07-09 香港科技大学深圳研究院 具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及制备方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19959925C2 (de) * 1999-12-11 2003-09-18 Eads Deutschland Gmbh Verfahren zur Bestimmung von Gaskonzentrationen mit einem Dünnschicht-Halbleiter-Gassensor und Dünnschicht-Halbleiter-Gassensor
JP2011501127A (ja) * 2007-10-09 2011-01-06 ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファウンデーション，インク． 集積温度制御コントロール及び温度センサを備えた多機能電位差ガスセンサアレイ
EP2105733A1 (de) * 2008-03-26 2009-09-30 Micronas GmbH Verfahren zum Messen der Konzentration eines Gases
DE102014002077B4 (de) * 2014-02-14 2015-08-27 Karlsruher Institut für Technologie Gassensor, Verfahren zur Detektion von Gasen und Herstellungsverfahren eines Gassensors
CN106018510B (zh) * 2016-05-23 2018-10-12 中国科学院新疆理化技术研究所 一种基于光电响应的爆炸物蒸气识别检测方法
US10330624B2 (en) * 2016-07-02 2019-06-25 Intel Corporation Metal oxide gas sensor array devices, systems, and associated methods
CN109781797A (zh) * 2019-03-13 2019-05-21 珠海格力电器股份有限公司 Tvoc气体检测器件、空气处理装置
CN110031591A (zh) * 2019-04-19 2019-07-19 东北大学 一种微纳气体传感阵列动态测试方法
CN110031514A (zh) * 2019-04-25 2019-07-19 吉林大学 基于Pd掺杂SnO2纳米敏感材料的H2S和NO2传感器、制备方法及其应用
CN110726758A (zh) * 2019-09-26 2020-01-24 华南理工大学 一种气敏探测模块、制造方法及系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092541A (zh) * 2021-04-08 2021-07-09 香港科技大学深圳研究院 具有微型加热器的垂直型三维纳米气体传感器及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113358711A (zh) 2021-09-07
CN113358711B (zh) 2022-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113358711B (zh) 一种通过调控光和温度制备气体传感器阵列的方法及装置
Pei et al. A carbon-based memristor design for associative learning activities and neuromorphic computing
CN106841314B (zh) 一种基于纳米TiO2的低功耗微纳气体传感器及制备方法
US20170146510A1 (en) Devices and methods for adjustable nanogap electrodes
US6946197B2 (en) Semiconductor and device nanotechnology and methods for their manufacture
Cavicchi et al. Spin-on nanoparticle tin oxide for microhotplate gas sensors
Llobet et al. Screen-printed nanoparticle tin oxide films for high-yield sensor microsystems
JP2009521332A (ja) ナノギャップおよびナノギャップセンサの製造方法
CN110057869A (zh) 一种半导体气敏传感器及其制备方法
Müller et al. A MEMS toolkit for metal-oxide-based gas sensing systems
US20210364458A1 (en) Gas sensor
Chung et al. Thermal and gas-sensing properties of planar-type micro gas sensor
KR101090739B1 (ko) 마이크로 가스 센서 및 그 제조 방법
CN107192744A (zh) 气敏电阻的制造方法及使用该方法制造的气体传感器
CN103922274B (zh) 一种三维红外光源的制作方法
CN108107081B (zh) 一种气体传感器的制造方法以及由此制造的气体传感器
WO2011093876A1 (en) Environment sensitive devices
US11035792B2 (en) Nanohole array based sensors with various coating and temperature control
Ivanov et al. Nanoparticle metal-oxide films for micro-hotplate-based gas sensor systems
CN102256386A (zh) 具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法
KR20060094664A (ko) 브릿지 구조를 갖는 가스 검지용 단일칩 가스센서 및 그 제조방법
CN109580718A (zh) 一种纳米厚度薄膜的制备方法
CN113292041B (zh) 一种基于SnSe2半导体的多功能智能传感器及其制备方法
Wang et al. Integrated microoxygen sensor based on nanostructured TiO2 thin films
RU2426193C1 (ru) Способ нанесения платиновых слоев на подложку

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20201027