CN113009064A - 气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种气体检测装置，包括：壳体和感应组件；壳体包括第一壳体部、第二壳体部和第三壳体部，壳体具有第一容纳腔，壳体还设有气孔；感应组件包括气体感应元件和光源件；所述气体感应元件包括第一主体部；所述第一主体部固定于所述第二壳体部且第一主体部的所述光催化剂纳米层至少部分暴露于所述第一容纳腔；光源件包括第二主体部，所述第二主体部暴露于所述第一容纳腔的部分与所述光催化剂纳米层的上表面相对。本申请的气体检测装置有利于提高对气体浓度的检测精度和检测效率。
Description
技术领域
本申请涉及传感领域，具体而言，涉及一种气体检测装置。
背景技术
发明人了解的一种相关技术中涉及有利用光催化原理的气体感应元件，该种气体感应元件采用光催化纳米层吸附二氧化碳气体分子，并且光催化纳米层为半导体材料，其在受到一定能量的光照激发后通过产生的光生电子空穴对与目标气体分子进行氧化还原反应，电子的移动带来的电信号变化可以反应环境中目标气体浓度，但是气体感应元件需要较稳定的气体检测环境与光源照射环境，因此，相关技术需改进。
发明内容
本申请提供一种气体检测装置，包括壳体和感应组件；
所述壳体包括第一壳体部、第二壳体部和第三壳体部，所述第二壳体部和所述第三壳体部分别连接于所述第一壳体部长度方向上的两侧，所述壳体具有第一容纳腔，所述壳体还设有连通所述第一容纳腔与外部的气孔；
所述感应组件包括气体感应元件和光源件；所述气体感应元件包括第一主体部，所述第一主体部包括沿其高度方向依次设置的衬底、隔离层和第一组件；所述衬底的上表面与所述隔离层下表面至少部分接触，所述隔离层的上表面与所述第一组件的下表面至少部分接触，所述第一组件包括导电薄膜层、光催化纳米层、第一电极和第二电极；所述第一电极和所述第二电极均与所述导电薄膜层至少部分接触；且所述第一电极和所述第二电极相间隔设置；所述光催化剂纳米层与所述导电薄膜层至少部分接触；所述第一主体部固定于所述第二壳体部，且所述光催化剂纳米层的上表面至少部分暴露于所述第一容纳腔；所述光催化剂纳米层具有用于吸附气体分子的纳米颗粒结构且所述光催化剂纳米层为半导体材料；
所述光源件包括用于发射光束的第二主体部，所述第二主体部固定于所述第三壳体部且至少部分暴露于所述第一容纳腔；所述第二主体部暴露于所述第一容纳腔的部分设置为与所述光催化剂纳米层的上表面相对。
本申请提供的气体检测装置，其壳体上设有气孔，第一主体部固定于第一壳体部，第二主体部固定于第二壳体部，第二主体部暴露于第一容纳腔的部分与光催化剂纳米层的上表面相对，有利于为气体感应元件提供较稳定的气体检测环境和光照环境，有利于提高气体检测装置的检测效率。
附图说明
图1是本申请实施方式中的一种气体感应元件的第一主体部的结构示意图；
图2是图1中第一主体部的爆炸示意图；
图3是图1中光催化剂纳米层与第一电极、第二电极的结构配合示意图；
图4是图1中气体感应元件的第一主体部的工作状态的电路结构示意图；
图5是本申请实施方式中的另一种气体感应元件的第一主体部的结构示意图；
图6是图5中气体感应元件的第一主体部的工作状态的电路结构示意图；
图7是本申请实施方式中的气体检测装置的结构示意图；
图8是图7中气体检测装置的爆炸示意图；
图9是图7中壳体的结构示意图；
图10是图9中壳体沿其长度方向的剖面示意图；
图11是图7中气体检测装置沿其长度方向的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请示例性实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1至图11所示，本申请提供一种气体检测装置1，包括壳体2和感应组件3。
壳体2包括第一壳体部401、第二壳体部402和第三壳体部403，第二壳体部402和第三壳体部403分别连接于第一壳体部401长度方向上的两侧，壳体2具有第一容纳腔404，壳体2还设有与第一容纳腔404连通的第一开口405。壳体2还设有连通第一容纳腔404与外部的气孔410。
感应组件3包括气体感应元件、光源件31以及电路板32。
气体感应元件包括第一主体部10。参考图1所示，第一主体部10包括沿其高度方向依次设置的衬底101、隔离层102和第一组件。隔离层102的下表面与衬底101的上表面至少部分接触，第一组件的下表面与隔离层102的上表面至少部分接触。
第一组件包括导电薄膜层103、第一电极11、第二电极12以及光催化剂纳米层104。图2为图1对应的第一主体部10的爆炸结构示意图。
衬底101是具有特定晶面和适当电学、光学和机械特性的洁净单晶薄片，可作为支撑导体材料、半导体材料、绝缘材料的载体。衬底101包含N型或者P型硅材料，且衬底101的电阻率小于等于0.1Ω·cm。
隔离层102设置于衬底101的上表面。可防止光生电子向衬底101移动，从而影响第一电极11和第二电极12之间电流检测的准确性。隔离层102为二氧化硅绝缘层，隔离层的厚度为50nm～1000nm。
在第一组件中，第一电极11和第二电极12均与导电薄膜层103至少部分接触，且第一电极11和第二电极12相间隔设置，光催化剂纳米层104与导电薄膜层103至少部分接触，且光催化纳米层104的上表面至少部分区域暴露于环境中。
光催化剂纳米层104通过其纳米颗粒结构吸附环境中的目标气体分子，且光催化剂纳米层104为半导体材料，光催化剂纳米层104用于在受到一定能量的光照激发条件下，通过产生的光生电子空穴对将目标气体分子还原或者氧化。
待检测气体可以为氧化性气体或者还原性气体的一种，例如二氧化碳气体为氧化性气体，其容易夺取光催化剂纳米层104的光生电子而被还原。相应的，如目标气体为还原性气体，其电子容易与光生空穴复合，从而目标气体失去电子被氧化。
以下参考图1和图2提供针对第一主体部10的一种实施方式。
导电薄膜层103至少部分设置于隔离层102的上表面，导电薄膜层103可以为石墨烯薄膜层，石墨烯可以为单层或多层CVD(Chemical Vapor Deposition化学气相沉积法)生长转移石墨烯或者剥离石墨烯或者还原氧化石墨烯。石墨烯是二维纳米材料，具有良好的导电特性，以及很大的比表面积，由于石墨烯具有金属特性，和包含二氧化硅/硅的衬底101相结合，可形成类似场效应晶体管的结构。需要注意的是，石墨烯导电薄膜层103在受到光激发时，因其只是单层碳原子，相比光催化剂纳米层104，其产生的光生电子比重较小，也即气体感应元件10受光激发时，光催化剂纳米层104可以产生较多的电子-空穴对，其他结构层基本不产生电子-空穴对，因此，电子的转移均来自于吸附目标气体分子的光催化剂纳米层104，这样有利于提高最终第一电极11和第二电极12之间电信号数据的准确性。当然，导电薄膜层103也可以为其他具有导电特性的材料，如氧化铟和氧化锡的混合物透明电极ITO，或者导电聚合物。
第一电极11和第二电极12，第一电极11和第二电极12的下表面均与导电薄膜层103的上表面至少部分接触，并且第一电极11和第二电极12相间隔设置。
光催化剂纳米层104位于第一电极11和第二电极12之间，在第一电极11和第二电极12之间的间隔区域150内，光催化剂纳米层104覆设于导电薄膜层103的上表面。光催化剂纳米层104具有能够吸附二氧化碳气体分子的纳米颗粒结构，且光催化剂纳米层104为半导体材料，其用于在受到一定能量的光激发条件下，通过产生的光生电子将目标气体分子进行还原，或者通过空穴与目标气体分子的电子复合，使目标气体分子失去电子被氧化。
本申请对第一主体部10的其他实施方式还可以包括，第一电极11的下表面和第二电极12的下表面均与隔离层102的上表面至少部分接触，导电薄膜层103下表面的一部分与第一电极11的上表面接触，导电薄膜层103下表面的又一部分与第二电极12的上表面接触，导电薄膜层103的上表面与光催化纳米层104的下表面至少部分接触。
本申请对第一主体部10其他实施方式还可以包括，光催化纳米层104的下表面与隔离层102的上表面至少部分接触，导电薄膜层103的下表面与光催化纳米层104的上表面至少部分接触，第一电极11的下表面和第二电极12的下表面均与导电薄膜层103的上表面至少部分接触，导电薄膜层103上设有穿孔，光催化剂纳米层104的部分区域通过穿孔暴露于环境中。
目标气体分子为二氧化碳气体分子，光催化剂纳米层104可以为掺杂有铜金属或者银金属的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒薄膜，从而使得光催化纳米层104对二氧化碳气体分子具有强还原性。并且光催化剂纳米层104的厚度为3～10nm。
二氧化钛(TiO2)是半导体材料，当其掺杂铜，银等金属时，可以增强对CO2气体的选择性。同时二氧化钛(TiO2)因其氧化还原能力强，化学性质稳定无毒，可以作为纳米级的光触媒材料。当二氧化钛(TiO2)纳米颗粒受到例如紫外光光源照射时，二氧化钛(TiO2)的价电子受激发发生跃迁，进入到导带，从而产生大量的光生电子(e-)和空穴(h+)。
当然，目标气体分子也可以为其他气体分子，光催化剂纳米层104可以改变对二氧化钛(TiO2)纳米颗粒薄膜的掺杂物质，从而实现对其他气体分子的选择性，例如二氧化钛(TiO2)纳米颗粒薄膜掺杂金属钼(Mo)可以实现对氨气的强氧化性，掺杂有金属钼(Mo)的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒薄膜受光照激发会产生光生电子空穴对，氨气为还原性气体，其电子容易与空穴复合从而失去电子被氧化。
需要注意的是，光催化剂纳米层104的纳米颗粒结构具有对多种气体分子的吸附能力，但是在受到光激发的条件下，其产生的光生电子根据光催化剂纳米层104的具体材料，从而对不同的气体分子具有较强的还原性，因此在实际中，可以通过选择光催化剂纳米层104的材料实现对不同的目标气体分子浓度的检测。例如氧化锌(ZnO)纳米颗粒掺杂银金属，可对二氧化氮(NO2)气体具有还原性。
气体感应元件的第一主体部10可以为经过TO(Transistor Outline)管封装或者SMD(Surface Mounted Devices)贴片封装而成的元器件。
气体感应元件还包括与第一电极11电性连接的第一引脚301以及与第二电极12连接的第二引脚302。第一主体部10固定于第二壳体部402且光催化剂纳米层104至少部分暴露于第一容纳腔404。
光源件31包括用于发射光束的第二主体部20，第二主体部20固定于第三壳体部403且至少部分暴露于第一容纳腔404。第二主体部20暴露于第一容纳腔404的部分设置为与光催化剂纳米层104相对。
第二主体部20可以为低功耗的紫外光LED灯，紫外光LED灯发射的紫外光的波长范围为254～400nm。
光源件31还包括与第二主体部20连接的第三引脚311和第四引脚312。
电路板32至少部分与第一开口405相对，电路板32与壳体2相组装固定，第一引脚301、第二引脚302、第三引脚311以及第四引脚312均连接至电路板32。一种实施方式中，电路板32封闭第一开口405并与壳体2相组装固定。
一种可选的实施方式中，电路板32上集成有电路连接的电源电路模块、MCU控制模块以及信号处理模块。
电源电路模块用于通过对应引脚分别对气体感应元件和光源件31供电。信号处理模块用于对第一电极11和第二电极12之间的第一电信号进行处理并发送给MCU控制模块，信号处理模块包含信号放大电路，滤波电路和AD转换电路，这些电路用于对气体感应元件的第一电极11和第二电极12之间的第一电信号进行处理。
MCU控制模块存储有第一电极11和第二电极12之间的第一电信号和参考电信号的差值与表征所述目标气体浓度的输出信号的第一对应关系，参考电信号可为环境中目标气体浓度为0或者小于预设参考值时，第一电极11和第二电极12之间的第二电信号。MCU控制模块用于根据所述第一电信号以及第一对应关系输出表征目标气体的浓度的输出信号。
如图10所示，第二壳体部402包括第一贯穿孔201，第一贯穿孔201连通壳体2外部与第一容纳腔404，第一主体部10周向固定于第一贯穿孔201。光催化剂纳米层104朝向第一容纳腔404设置，第一引脚301和第二引脚302均自第一主体部10向壳体2外部引出至电路板32。
第三壳体部403包括第二贯穿孔202，第二贯穿孔202连通壳体2外部与第一容纳腔404，第二主体部20周向固定于第二贯穿孔202，第二主体部20朝向第一容纳腔404的一侧为出光侧，第三引脚311和第四引脚312均自第二主体部20向壳体2外部引出至电路板32。
第一壳体部401包括顶壁1011以及两个第一侧壁1012，两个第一侧壁1012分别自顶壁1011宽度方向的两侧向与顶壁1011大致垂直的方向延伸。第二壳体部402和第三壳体部403均与顶壁1011以及两个第一侧壁1012连接以配合围拢成第一容纳腔404。当然，第一壳体部401也可以为半桶状结构或者其他异型结构，本申请对此不做过多限制。
气孔410数量为多个，多个气孔410分布于第一侧壁1012和/或顶壁1011，一种实施方式中，气体检测装置1还具有粘贴方式连接于壳体2的防水透气膜，防水透气膜至少部分覆盖气孔410。
顶壁1011长度方向上靠近第二壳体部402的一侧设有第一缺口1013，顶壁1011长度方向上靠近第三壳体部403的另一侧设有第二缺口1014，顶壁1011包括第一配合壁10121以及与第一配合壁10121相连接的四个第二配合壁10122，第一配合壁10121和四个第二配合壁10122为一体延伸结构，第一配合壁10121位于第一缺口1013和第二缺口1014之间，四个第二配合壁10122以两个为一组分别连接于第一配合壁10121长度方向的两侧，其中，第一组的两个第二配合壁10122在顶壁1011宽度方向上位于第一缺口1013两侧，第二组的两个第二配合壁10122在顶壁1011宽度方向上位于第二缺口1014的两侧。
第二壳体部402包括第一子壁4021、两个第二子壁4022以及第三子壁4023，第一子壁4021与第一配合壁10121垂直连接，两个第二子壁4022连接于第一子壁4021在顶壁1011宽度方向上两侧，且两个第二子壁4022分别与第一组的两个第二配合壁10122垂直连接；第三子壁4023与第一子壁4021和两个第二子壁4022均垂直连接，第二壳体部402形成向第一容纳腔404凹入的壳体结构。
第三壳体部403包括第四子壁4031、两个第五子壁4032以及第六子壁4033，第四子壁4031与第一配合壁10121垂直连接，两个第五子壁4032连接于第四子壁4031在顶壁1011宽度方向上的两侧，且两个第五子壁4032分别与第二组的两个第二配合壁10122垂直连接，第六子壁4033与第一子壁4021和两个第二子壁4022均垂直连接，第三壳体4023部形成向第一容纳腔404凹入的壳体结构。
第三子壁4023设有第三贯穿孔203，第一引脚301和第二引脚302均穿过第三贯穿孔203连接于电路板32，第六子壁4033设有第四贯穿孔204，第三引脚311和第四引脚312均穿过第四贯穿孔204连接于电路板32。
壳体2还包括第四壳体部406，第四壳体部406具有第二容纳腔407，第二容纳腔407通过第一开口405与第一容纳腔404连通，第四壳体部406还设有与第二容纳腔407连通的第二开口408，第二开口408至少部分与第一开口405相对，电路板32通过第二开口408安装至第二容纳腔407。
第一壳体部401、第二壳体部402、第三壳体部403以及第四壳体部404一体成型。本申请提供的气体检测装置1，其壳体2上设有气孔410，第一主体部10固定于第一壳体部401，第二主体部20固定于第二壳体部402，第二主体部402暴露于第一容纳腔404的部分与光催化剂纳米层104的上表面相对，有利于为气体感应元件提供较稳定的气体检测环境和光照环境，有利于提高气体检测装置的检测效率。
在应用于相关监控目标气体浓度的环境中时，目标气体可通过气孔410进入壳体2的第一容纳腔404，第二主体部20暴露于第一容纳腔404的部分与第一主体部10的光催化剂纳米层104相对，而光催化剂纳米层104可以吸附目标气体分子，并且光催化剂纳米层104受光源件31的光激发产生的光生电子空穴对会对目标气体分子进行还原或者氧化，从而有利于通过检测第一电极11和第二电极12之间光生电子的转移带来的电流变化提高对目标气体浓度的检测精度。
以下实施方式中均以掺杂有铜金属或者银金属的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒薄膜作为光催化剂纳米层104的材料，从而对二氧化碳(CO2)气体进行浓度检测，并且导电薄膜层103以石墨烯导电薄膜层进行示例说明。
在当前环境中没有CO2气体时，光催化剂纳米层104的TiO2纳米颗粒受光照激发的光生电子运动到石墨烯薄膜层103，第一电极11和第二电极12之间可通过电路板32提供的电压作用下形成回路电流。
当CO2气体通过气孔410进入气体检测装置1后，由于光催化剂纳米层104具有能够吸附二氧化碳气体分子的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒结构，因此，CO2气体分子容易被二氧化钛(TiO2)纳米颗粒结构吸附，进一步的，在二氧化钛(TiO2)纳米颗粒-石墨烯界面处产生氧化还原反应，光生电子-空穴对作为具有还原性和氧化性的活性位点迁移至TiO2纳米颗粒表面，与吸附在其表面的CO2气体分子发生反应。CO2气体分子作为电子受体被还原为强氧化型二氧化碳阴离子自由基CO2-，换句话说，CO2气体分子会夺取TiO2纳米颗粒的光生电子形成CO2-，使运动到石墨烯薄膜层103的光生电子浓度减小，从而引起第一电极11和第二电极12之间电流的变化。第一电极11和第二电极12之间电流的变化会通过第一引脚301和第二引脚302传输到电路板32，因而通过分析电路板32的第一引脚301的连接处与第二引脚302的连接处的电流的变化，或者换算为回路中的电导或者电阻的变化，就可以分析CO2气体的浓度。在CO2气体浓度超过警戒值后，电路板也可以连接有报警单元，从而报警单元发出警戒信号提醒用户。
此外，本申请提供的气体感应元件还具有相比石墨烯气体传感器更加优越的恢复能力，相关技术中的石墨烯气体传感器在使用一段时间后，石墨烯材料的吸附能力饱和，但石墨烯对气体分子的脱吸附能力较差，本申请提供的气体感应元件采用光催化剂纳米层104修饰石墨烯导电薄膜层103，石墨烯导电薄膜层103主要起到导通第一电极11和第二电极12，以及供光催化剂纳米层104的光生电子移动的作用，光催化剂纳米层104的纳米结构起到对CO2气体分子的主要吸附作用，而且在实际应用中，紫外光光源照射不仅可以活化CO2气体分子，提高检测灵敏度，还可以通过调控紫外光的光源能量，缩短二氧化碳气体感应元件10恢复时间。这是由于紫外光具有高能量，紫外光照射吸附在例如TiO2纳米颗粒表面的CO2-，可以使CO2-不稳定，光生电子(e-)重新回到TiO2纳米颗粒表面，并运动到石墨烯导电薄膜层103，恢复为CO2气体分子从TiO2纳米颗粒表面逸出，从而缩短传感器的恢复时间。
在实际中，可以在环境中的CO2气体浓度下降后，对光催化剂纳米层104持续提供较高能量的紫外光照射，此时，对吸附在例如TiO2纳米颗粒表面的CO2-具有较高能量，使其不稳定，光生电子(e-)重新回到TiO2纳米颗粒表面，恢复的氧化作用强于对CO2气体分子的还原作用，CO2-不稳定，与产生的光生空穴(h+)反应，被氧化形成CO2气体分子，从TiO2纳米颗粒表面逸出，从而实现对光催化剂纳米层104的再生功能。
光催化剂纳米层104与第一电极11间隔设置，光催化剂纳米层104与第二电极12间隔设置。这样设置的目的在于避免光催化剂纳米层104在第一电极11处和第二电极12处形成肖特基结而影响石墨烯的电流特性。光催化剂纳米层104产生的光生电子可以通过石墨烯导电薄膜层103进而与第一电极11和第二电极12产生电性反应。
第一电极11和第二电极12均为自石墨烯导电薄膜层103的边沿至中心区域的方向上具有方形螺旋结构的叉指电极。
叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，通常这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容。根据电容器原理，本实施方式中采用方形螺旋结构的叉指电极是为了增大所述第一电极11和第二电极12的正对面积，进而在其他条件相同时使得所述电容器的电容C值变大，进而利于对光生电子的移动进行监测，减小误差，从而测得的电流数值更加精确。在另外一些实施方式中，第一电极11和第二电极12也可以为梳状的叉指电极，或者第一电极11和第二电极12可以为相对设置的平板电极，只要其能满足需要即可，此处不做限制。
第一电极11具有靠近石墨烯导电薄膜层103边沿的第一端子110，第二电极12具有靠近石墨烯导电薄膜层103边沿的第二端子120，第一端子110和第二端子120对角设置，并分布于石墨烯导电薄膜层103的两侧。
在本申请实施方式中，石墨烯导电薄膜层103大致呈矩形的形态，第一端子110和第二端子120分布于石墨烯导电薄膜层103对角线的两侧，这样设置有利于充分利用石墨烯导电薄膜层103的面积。
结合图4，本申请实施方式中还提供一种检测方法，检测方法包含：
步骤一，电路板32驱动光源件31发出连续具有一定能量的紫外光，在第一容纳腔404，紫外光照射于气体感应元件的第一主体部10，从而使光催化剂纳米层104可以被辐射到紫外光，其中紫外光具有较高能量eV，其使光催化剂纳米层104产生大量光生电子-空穴对。
步骤二、通入氮气作为零气，电路板32为第一电极11和第二电极12之间提供第一电压Vds，自由移动的光生电子运动到石墨烯导电薄膜层103，采集电路板32第一引脚301和第二引脚302之间的电流I1。氮气为惰性气体，通过环境中充入氮气使得二氧化碳气体感应元件10周围的二氧化碳气体浓度降至零或者接近为零。
步骤三，若当前气体环境中存在CO2气体，则光催化剂纳米层104的微纳米结构吸附CO2气体分子，一部分光生电子运动到CO2气体分子，形成CO2-，CO2气体被还原，则采集电路板32第一引脚301和第二引脚302之间的电流I2，计算I2与I1之间的差值S1。
步骤四，提取预先测量的差值S1与CO2气体浓度的对应关系M，该对应关系可以通过通入已知浓度的CO2气体，计算不同浓度时差值S1的值，最后对多组数据拟合得到，因此采用电流差值和浓度的对应关系，可以根据I2与I1之间的差值S1反推出环境中CO2气体的浓度。
本申请还提供一种实施方式，参考图5和图8，除了第一电极11和第二电极12之外，第一主体部10还包括第三电极13，第三电极13设于衬底101的下表面，第三电极13的上表面与衬底101的下表面至少部分接触，第一主体部10还包括另一与第一电极11连接的第五引脚305以及与第三电极12连接的第六引脚306，第五引脚305以及第六引脚306均连接至电路板32，电路板32用于调整施加至第五引脚305以及第六引脚306之间的电压方向从而改变导电薄膜层103变为以空穴浓度为主或者以电子浓度为主。
在实际应用中，还是以石墨烯导电薄膜层103为例，通过在第一电极11和第三电极13之间设置电压或者在第二电极12和第三电极13之间设置电压可以调控石墨烯导电薄膜层103的掺杂类型，具体的调整方式为调整第一电极11和第二电极12中的一个与第三电极13之间的电压方向从而改变石墨烯导电薄膜层103变为以空穴浓度为主或者以电子浓度为主。
以第一电极11和第三电极13之间设置电压为例，当第一电极11通过第五引脚305接入电路板32的电源正电，第三电极13通过第六引脚306接电路板32的电源负电时，进入石墨烯导电薄膜层103的光催化剂纳米层104的光生电子，以及石墨烯导电薄膜层103自身的电子受第一电极11吸引，向第一电极11运动，通过电源电路汇集到第三电极13，此时石墨烯导电薄膜层103以空穴浓度为主，可以称石墨烯导电薄膜层103此时类似于P型沟道，相反，如果第一电极11通过第五引脚305接入电路板32的电源负电，第三电极13通过第六引脚306接电路板32的电源正电时，第三电极13的电子受电源正电压吸引，通过电源电路进入到石墨烯导电薄膜层103，光催化剂纳米层104的电子也进入石墨烯薄膜层103，较多的电子在石墨烯薄膜层103中移动，此时石墨烯薄膜层103以电子浓度为主，可以称石墨烯薄膜层103此时类似于N型沟道。
当气体检测装置1中有CO2气体进入时，光催化剂纳米层104的微纳米结构会吸附CO2气体分子，由光照光催化剂纳米层104产生的电子部分运动到CO2气体分子，形成CO2-，CO2气体被还原，若石墨烯导电薄膜层103此时的掺杂类型为P型沟道，由于电子转移到CO2气体分子，电子浓度减少，空穴增多，则第一电极11和第二电机12之间的电流会增大。若石墨烯导电薄膜层103此时的掺杂类型为N型沟道，由于电子转移到CO2气体分子，电子浓度减少，则第一电极11和第二电极12之间的电流会减小。通过对第三电极13的电压调控，有利于改变石墨烯导电薄膜层103的掺杂类型(P型或N型)，不同的掺杂类型会影响第一电极11和第二电机12之间电流的增大与减小，可以使检测更灵敏。
以上实施例中描述的第一电极11、第二电极12以及第三电极13为金属薄膜电极，第一电极11、第二电极12以及第三电极13中任一电极的材料为铝或者金或者金铬合金。且沿二氧化碳气体感应元件10的高度方向，在相应图中为上下方向，第一电极11、第二电极12以及第三电极13的厚度为50nm～1000nm。
结合图6，本申请实施方式中还提供另一种检测方法，检测方法包含：
步骤一，电路板32驱动光源件31发出连续具有一定能量的紫外光，在第一容纳腔404，紫外光并照射于气体感应元件的第一主体部10，从而使光催化剂纳米层104可以被辐射到紫外光，其中紫外光具有较高能量eV，其使光催化剂纳米层104产生大量光生电子-孔穴对。
步骤二、电路板32为第一电极11和第三电极13之间设置第二电压Vg，第一电极11接电源的正电，第三电极13接电源的负电。这样，通过电路板32调控第二电压Vg的方向，改变石墨烯薄膜层103变为以载流子空穴浓度为主。
步骤三，通入氮气作为零气，电路板32为第一电极11和第二电极12之间设置第一电压Vds，自由移动的光生电子运动到石墨烯导电薄膜层103，采集电路板32第一引脚301和第二引脚302之间的电流I1。
步骤四，若当前气体环境中存在CO2气体，则光催化剂纳米层104的微纳米结构吸附CO2气体分子，一部分光生电子运动到CO2气体分子，形成CO2-，CO2气体被还原，由于电子转移到CO2气体分子，电子浓度减少，空穴增多，电流增大，则则采集电路板32第一引脚301和第二引脚302之间的电流I2，计算I2与I1之间的差值S1。
步骤五，提取预先测量的差值S1与CO2气体浓度的对应关系M，该对应关系可以通过通入已知浓度的CO2气体，计算不同浓度时差值S1的值，最后对多组数据拟合得到，因此采用电流差值和浓度的对应关系，可以根据I2与I1之间的差值S1反推出环境中CO2气体的浓度。
基于上述检测原理，本申请提供的气体检测装置1有利于通过检测第一电极11和第二电极12之间电子的转移带来的电流变化提高对气体浓度的检测精度。同时也可以实现在室温对气体的检测，不需要复杂的检测环境，提高了产品的适用范围。
以上所述仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请做任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种气体检测装置(1)，其特征在于，包括壳体(2)和感应组件(3)；
所述壳体(1)包括第一壳体部(401)、第二壳体部(402)和第三壳体部(403)，所述第二壳体部(402)和所述第三壳体部(403)分别连接于所述第一壳体部(401)相对的两侧，所述壳体(1)具有第一容纳腔(404)，所述壳体(1)还设有连通所述第一容纳腔(404)的气孔(410)；
所述感应组件(3)包括气体感应元件和光源件(31)；所述气体感应元件包括第一主体部(10)，所述第一主体部(10)包括沿其高度方向依次设置的衬底(101)、隔离层(102)和第一组件；所述衬底(101)的上表面与所述隔离层(102)下表面至少部分接触，所述隔离层(102)的上表面与所述第一组件的下表面至少部分接触，所述第一组件包括导电薄膜层(103)、光催化纳米层(104)、第一电极(11)和第二电极(12)，所述第一电极(11)和所述第二电极(12)均与所述导电薄膜层(103)至少部分接触；且所述第一电极(11)和所述第二电极(12)相间隔设置；所述光催化剂纳米层(104)与所述导电薄膜层(103)至少部分接触；所述第一主体部(10)固定于所述第二壳体部(402)，且所述光催化剂纳米层(104)的上表面至少部分暴露于所述第一容纳腔(404)；所述光催化剂纳米层(104)具有用于吸附气体分子的纳米颗粒结构且所述光催化剂纳米层(104)为半导体材料；
所述光源件(31)包括用于发射光束的第二主体部(20)，所述第二主体部(20)固定于所述第三壳体部(403)且至少部分暴露于所述第一容纳腔(404)；所述第二主体部(20)暴露于所述第一容纳腔(404)的部分与所述光催化剂纳米层(104)的上表面相对。
2.根据权利要求1所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述壳体(1)还设有与所述第一容纳腔(404)连通的第一开口(405)；所述气体检测装置(1)包括电路板(32)，所述电路板(32)至少部分覆盖所述第一开口(405)且与所述壳体(1)相组装固定；
所述气体感应元件还包括与所述第一电极(11)连接的第一引脚(301)以及与所述第二电极(12)连接的第二引脚(302)；所述光源件(31)还包括与第二主体部(20)连接的第三引脚(311)和第四引脚(312)；所述第一引脚(301)、所述第二引脚(302)、所述第三引脚(303)以及所述第四引脚(304)均连接至所述电路板(32)。
3.根据权利要求2所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述第二壳体部(402)包括第一贯穿孔(201)，所述第一贯穿孔(201)连通所述第一容纳腔(404)，所述第一主体部(10)至少部分位于所述第一贯穿孔(201)；所述光催化剂纳米层(104)朝向所述第一容纳腔设置；所述第一引脚(301)和所述第二引脚(302)均自所述第一主体部(10)向所述壳体(2)外部引出至所述电路板(32)；
所述第三壳体部(403)包括第二贯穿孔(202)，所述第二贯穿孔(202)连通所述第一容纳腔(404)，所述第二主体部(20)至少部分位于所述第二贯穿孔(202)；所述第二主体部(20)朝向所述第一容纳腔(404)的一侧为出光侧；所述第三引脚(311)和所述第四引脚(312)均自所述第二主体部(20)向所述壳体(2)外部引出至所述电路板(32)。
4.根据权利要求3所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述第一壳体部(401)包括顶壁(1011)以及两个第一侧壁(1012)，所述两个第一侧壁(1012)分别自所述顶壁(1011)宽度方向的两侧向与所述顶壁(1011)垂直的方向延伸；所述第二壳体部(402)和所述第三壳体部(403)均与所述顶壁(1011)以及两个第一侧壁(1012)连接。
5.根据权利要求3所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述顶壁(1011)长度方向上靠近所述第二壳体部(402)的一侧设有第一缺口(1013)；所述顶壁(1011)长度方向上靠近所述第三壳体部(403)的另一侧设有第二缺口(1014)；
所述顶壁(1011)包括第一配合壁(10121)以及与所述第一配合壁(10121)相连接的四个第二配合壁(10122)，所述第一配合壁(10121)和所述四个第二配合壁(10122)为一体延伸结构；所述第一配合壁(10121)至少部分位于所述第一缺口(1013)和所述第二缺口(1014)之间，四个第二配合壁(10122)以两个为一组分别连接于所述第一配合壁(10121)长度方向的两侧，其中，第一组的两个第二配合壁(10122)在顶壁(1011)宽度方向上位于所述第一缺口(1013)两侧，第二组的两个第二配合壁(10122)在顶壁(1011)宽度方向上位于第二缺口(1014)的两侧；
所述第二壳体部(402)包括第一子壁(4021)、两个第二子壁(4022)以及第三子壁(4023)；所述第一子壁(4021)与所述第一配合壁(10121)垂直连接；所述两个第二子壁(4022)连接于所述第一子壁(4021)在顶壁(10121)宽度方向上两侧，且所述两个第二子壁(4022)分别与所述第一组的两个第二配合壁(10122)垂直连接；所述第三子壁(4023)与所述第一子壁(4021)和两个第二子壁(4022)均垂直连接，所述第二壳体部(402)形成向所述第一容纳腔(404)凹入的壳体结构；
所述第三壳体部(403)包括第四子壁(4031)、两个第五子壁(4032)以及第六子壁(4033)；所述第四子壁(4031)与所述第一配合壁(10121)垂直连接；所述两个第五子壁(4032)连接于所述第四子壁(4031)在顶壁(1011)宽度方向上的两侧，且所述两个第五子壁(4032)分别与所述第二组的两个第二配合壁(10122)垂直连接；所述第六子壁(4033)与所述第一子壁(4031)和两个第二子壁(4032)均垂直连接，所述第三壳体部(403)形成向所述第一容纳腔(404)凹入的壳体结构。
6.根据权利要求5所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述第三子壁(4023)设有第三贯穿孔(203)，所述第一引脚(301)和所述第二引脚(302)均穿过所述第三贯穿孔(203)连接于所述电路板(32)；所述第六子壁(4033)设有第四贯穿孔(204)，所述第三引脚(311)和所述第四引脚(312)均穿过所述第四贯穿孔(204)连接于所述电路板(32)。
7.根据权利要求6所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述壳体(2)还包括第四壳体部(406)；所述第四壳体部(406)具有第二容纳腔(407)，所述第二容纳腔(407)通过所述第一开口(405)与所述第一容纳腔(404)连通；所述第四壳体部(406)还设有与所述第二容纳腔(407)连通的第二开口(408)，所述第二开口(408)至少部分与所述第一开口(405)相对，所述电路板(32)通过所述第二开口(405)安装至所述第二容纳腔(407)；
所述第一壳体部(401)、所述第二壳体部(402)、所述第三壳体部(403)以及所述第四壳体部(406)一体成型。
8.根据权利要求4至7任一所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述气孔(410)数量为多个，多个气孔(410)分布于所述第一侧壁(1012)和/或所述顶壁(1011)；所述气体检测装置(1)还具有粘贴方式连接于所述壳体(2)的防水透气膜，所述防水透气膜至少部分覆盖所述气孔(410)。
9.根据权利要求2所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述第一主体部(10)还包括第三电极(13)，所述第三电极(13)设于所述衬底(101)的下表面，所述第三电极(13)的上表面与所述衬底(101)的下表面至少部分接触；所述第一主体部(10)还包括另一与所述第一电极(11)连接的第五引脚(305)以及与所述第三电极(13)连接的第六引脚(306)；所述第五引脚(305)以及所述第六引脚(306)均连接至所述电路板(32)。
10.根据权利要求1至9任一所述的气体检测装置(1)，其特征在于，所述光源件(31)的第二主体部(20)为紫外光LED灯，所述紫外光LED灯发射的紫外光的波长范围为254～400nm。
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