CN114112973A - 一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构及传感器，该气体传感架构包括：第一气体吸附层、第二气体吸附层、周期微纳米金属层、支撑层和功能层；功能层为透明导电薄膜，透明导电薄膜的载流子浓度≥1×1019cm‑3；第一气体吸附层、周期微纳米金属层、支撑层和功能层依次叠加组成光学模块；光学模块用于利用外部的红外光源与探测器对目标待检测气体的浓度进行检测；其中，光学模块中的功能层用于反射红外光；第二气体吸附层和功能层组成电学模块；其中，电学模块用于根据功能层的阻值变化，利用外部的检测器对目标待检测气体的浓度进行检测。本发明提供的基于气体传感架构的传感器具有高灵敏度和大量程。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构及传感器。
背景技术
随着空气污染问题日益严重，空气质量已成为全球议题，因此加强对气体污染物的监测尤为重要。红外气体检测技术具有测量范围宽，精度高，选择性好，不会中毒，使用寿命长，功耗低，便于操作和维护等优点，正逐渐替代电化学、催化燃烧等传统传感器，在煤矿、石油化工、天然气管道、工厂以及公共场所等工业、民用和环境监测领域得到广泛的普及和应用。
随着人们对生活和生产环境质量的重视，对红外气体传感器的性能要求越来越高，当前传统的光源-气体腔-红外探测器的红外气体传感器构架，对于被检测气体稀薄、浓度低的情况下，便无法获得可靠的检测或者根本无法完成检测。同时现有气体传感器无法兼顾从高浓度到微量浓度的大量程情况，且在该情况下，红外气体传感器存在探测水平较低，灵敏度不高，无法探测超低浓度的气体和量程小的不足。因此急需一种具有更高灵敏度和更大量程的气体传感器。
发明内容
本发明提供了一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构及传感器，该气体传感架构能够为传感器提供高探测水平、高灵敏度和大量程。
第一方面，本发明提供了一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构，应用于传感器中，所述气体传感架构包括：第一气体吸附层、第二气体吸附层、周期微纳米金属层、支撑层和功能层；
所述第一气体吸附层和所述第二气体吸附层均用于吸附富集目标待检测气体；
所述周期微纳米金属层用于激发表面等离子体近场；
所述支撑层用于支撑所述周期微纳米金属层；
所述功能层为透明导电薄膜，所述透明导电薄膜的载流子浓度≥1×1019cm-3；
所述第一气体吸附层、所述周期微纳米金属层、所述支撑层和所述功能层依次叠加组成光学模块；
所述光学模块用于利用外部的红外光源与探测器对所述目标待检测气体的浓度进行检测；其中，所述光学模块中的功能层用于反射红外光；
所述第二气体吸附层和所述功能层组成电学模块；其中，所述电学模块用于根据所述功能层的阻值变化，利用外部的检测器对所述目标待检测气体的浓度进行检测。
可选地，所述第一气体吸附层和所述第二气体吸附层均为金属有机骨架膜、介孔二氧化硅膜材料或聚苯胺纤维。
可选地，所述第一气体吸附层和所述第二气体吸附层的厚度均为0.1～1μm。
可选地，所述周期微纳米金属层由至少一个超表面阵列组成；其中，每个超表面阵列的阵元结构各不相同，且每个超表面阵列分别对应一种气体。
可选地，所述超表面阵列的阵元结构的二维尺寸为0.5～5μm；相邻阵元的间隔距离为0.1～5μm。
可选地，所述周期微纳米金属层采用金、银、铂金或铝。
可选地，所述周期微纳米金属层的厚度为20～100nm。
可选地，所述支撑层采用蓝宝石或金刚石。
可选地，所述支撑层的厚度为100～500nm。
可选地，当所述目标待检测气体为还原性气体时，所述功能层为N型半导体气敏材料；当所述目标待检测气体为氧化性气体时，所述功能层为P型半导体气敏材料。
可选地，所述功能层的厚度为100～500μm。
可选地，所述气体传感架构包括依次排列的所述第一气体吸附层、所述周期微纳米金属层、所述支撑层、所述功能层和所述第二气体吸附层。
第二方面，本发明提供了一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器，包括：红外光源、探测器、检测器、检测室和基于上述任一第一方面所述的气体传感架构；
所述气体传感架构位于所述检测室内；所述检测室分别与所述红外光源、所述探测器和所述检测器相连接；
所述红外光源用于发出红外光；
所述探测器用于在目标待检测气体通过所述气体传感架构时，接收所述红外光通过所述光学模块的光吸收变化信息，以完成对所述目标待检测气体的浓度检测，获得第一检测结果；
所述检测器用于在目标待检测气体通过所述气体传感架构时，获取所述电学模块中所述功能层的阻值变化，以完成对所述目标待检测气体的浓度检测，获得第二检测结果。
可选地，所述检测室的两端分别设置有进气口和出气口；其中，待检测气体由所述进气口进入所述检测室，并由所述出气口排出；所述待检测气体中包括所述目标待检测气体；
所述出气口的截面积小于所述进气口的截面积；
所述检测室的壳体内侧表面为金膜。
可选地，所述传感器还包括：加热模块；
所述检测室内设置有所述加热模块；其中，所述加热模块用于加热所述待检测气体以及为所述气体传感架构提供工作温度。
可选地，所述加热模块位于所述进气口的入口处。
可选地，所述气体传感架构的检测量程由所述探测器的检测量程和所述检测器的检测量程取并集得到。
可选地，所述传感器还包括：处理模块；
所述处理模块用于根据所述第一检测结果和所述第二检测结果，确定目标检测结果；
当所述第一检测结果和所述第二检测结果均位于所述探测器的检测量程和所述检测器的检测量程的交集内，且所述第一检测结果和所述第二检测结果之差小于预设误差阈值时，所述目标检测结果为所述第一检测结果或所述第二检测结果；
当所述第一检测结果大于所述第二检测结果，且所述第一检测结果大于所述检测器的检测量程的最大值时，所述目标检测结果为所述第一检测结果；
当所述第一检测结果大于所述第二检测结果，且所述第二检测结果小于所述探测器的检测量程的最小值时，所述目标检测结果为所述第二检测结果。
本发明实施例提供了一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构及传感器，应用于传感器中。该气体传感架构包括光学模块和电学模块，光学模块包括第一气体吸附层、周期微纳米金属层、支撑层和功能层，电学模块包括第二气体吸附层和功能层，如此光学模块和电学模块共用该功能层。由于该功能层为载流子浓度≥1×1019cm-3的透明导电薄膜，借助该透明导电薄膜的红外透过性能和优异的电学性能，将其作为红外传感模块(即光学模块)的反射层，当第一气体吸附层吸附目标待检测气体，并将该气体富集在周期微纳米金属层表面，利用局域等离子共振原理增强红外信号，该红外信号经支撑层传输及功能层反射，被探测器接收，即可测得目标待检测气体的浓度；同时该透明导电薄膜还作为气敏薄膜传感器(即电学模块)，将变化的电信号(即阻值变化)输出，测得目标待检测气体的浓度。综上，本发明通过对功能层材料和气体传感架构的设计，实现了半导体气体传感器和红外气体传感器的有机结合，优化了该气体传感架构的结构，扩宽了探测量程，丰富了传感器功能，使检测灵敏度更高且检测结果更为准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的另一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种周期微纳米金属层的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种周期微纳米金属层的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的又一种周期微纳米金属层的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的再一种周期微纳米金属层的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现有的用于气体检测的气体传感器中，主要包括半导体气体传感器和红外气体传感器，半导体气体传感器由于具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快等优点，成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器；红外气体传感器由于具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、受环境干扰因素小、寿命长等显著优点，也展现着巨大的应用潜力。
然而，半导体气体传感器存在气体的选择性差，且稳定性不高的缺点；红外气体传感器通过利用朗伯-比尔定律测量红外气体对红外光的吸收率，在被检测气体稀薄、浓度低的情况下，却无法获得可靠的检测结果或根本无法进行检测。可见，现有红外气体传感器存在探测水平较低，灵敏度不高，无法探测超低浓度的气体和量程小的不足。
为此，本发明通过高载流子浓度透明导电薄膜将半导体气体传感器和红外气体传感器进行结合设计，得到的气体传感架构能够同时兼顾该两类气体传感器的优点，以借助半导体气体传感器弥补现有红外气体传感器探测水平较低，灵敏度不高，量程小的问题。
下面描述以上构思的具体实现方式。
请参考图1，本发明实施例提供了一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构，应用于传感器中，包括：第一气体吸附层101、第二气体吸附层102、周期微纳米金属层103、支撑层104和功能层105；
第一气体吸附层101和第二气体吸附层102均用于吸附富集目标待检测气体；
周期微纳米金属层103用于激发表面等离子体近场；
支撑层104用于支撑周期微纳米金属层；
功能层105为透明导电薄膜，透明导电薄膜的载流子浓度≥1×1019cm-3；
第一气体吸附层101、周期微纳米金属层103、支撑层104和功能层105依次叠加组成光学模块；
光学模块用于利用外部的红外光源与探测器对目标待检测气体的浓度进行检测；其中，光学模块中的功能层105用于反射红外光；
第二气体吸附层102和功能层105组成电学模块；其中，电学模块用于根据功能层105的阻值变化，利用外部的检测器对目标待检测气体的浓度进行检测。
在本发明中，透明导电薄膜的载流子浓度≥1×1019cm-3(例如，可以为1×1019cm-3、2×1019cm-3、3×1019cm-3、4×1019cm-3、5×1019cm-3、6×1019cm-3、8×1019cm-3、9×1019cm-3、1×1020cm-3、2×1020cm-3、3×1020cm-3、4×1020cm-3、5×1020cm-3、6×1020cm-3、8×1020cm-3、9×1020cm-3、1×1021cm-3、5×1021cm-3、1×1022cm-3、5×1022cm-3或1×1023cm-3等)。
需要说明的是，具体地，本发明的气体传感架构为传感器检测室内置的检测芯片。
本发明中，在传感器中，气体传感架构包括光学模块和电学模块，光学模块包括第一气体吸附层、周期微纳米金属层、支撑层和功能层，电学模块包括第二气体吸附层和功能层，如此光学模块和电学模块共用该功能层。本发明通过对功能层材料和气体传感架构的设计，实现了半导体气体传感器和红外气体传感器的有机结合。其中，本发明中的半导体气体传感器为电阻型半导体气体传感器。
在本发明中由于该功能层为载流子浓度≥1×1019cm-3的透明导电薄膜，借助该透明导电薄膜的红外透过性能和优异的电学性能，将其作为红外传感模块(即光学模块)的反射层，当第一气体吸附层吸附目标待检测气体，并将该气体富集在周期微纳米金属层表面，利用局域等离子共振原理增强红外信号，该红外信号经支撑层传输及功能层反射，被探测器接收，即可测得目标待检测气体的浓度；同时该透明导电薄膜还作为气敏薄膜传感器(即电学模块)，将变化的电信号(即阻值变化)输出，测得目标待检测气体的浓度。因此本发明的气体传感架构不仅优化了现有气体传感架构的结构，扩宽了探测量程，丰富了传感器功能，使具有该气体传感架构的传感器的检测灵敏度更高且检测结果更为准确。
在一些实施方式中，气体传感架构包括依次排列的第一气体吸附层101、周期微纳米金属层103、支撑层104、功能层105和第二气体吸附层102。
需要说明的是，气体传感架构的结构包括但不限于如图1所示的光学模块在电学模块之上的结构，例如可以为电学模块在光学模块之上的结构，也可以为电学模块在光学模块左侧的结构，还可以为电学模块在光学模块右侧的结构。
在一些实施方式中，第一气体吸附层101和第二气体吸附层102均为金属有机骨架膜、介孔二氧化硅膜材料或聚苯胺纤维。
在一些实施方式中，第一气体吸附层101和第二气体吸附层102的厚度均为0.1～1μm(例如，可以为0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm)。
需要说明的是，在同一气体传感架构中第一气体吸附层和第二气体吸附层完全相同，这里为了区分该气体传感架构中的两个气体吸附层，故将第一气体吸附层设置于光学模块中，将第二气体吸附层设置于电学模块中。在本发明中，第一气体吸附层和第二气体吸附层的厚度均为0.1～1μm，如此可以避免该层厚度大于1μm时目标待检测气体难以到达其相邻的周期微纳米金属层或功能层，同时可以避免该层厚度小于0.1μm时无法达到预期吸附效果，进而影响检测结果的准确性。
在本发明中，第一气体吸附层和第二气体吸附层均为对目标待检测气体有吸附、富集功能的薄膜，包括但不限于具有微孔、介孔和纤维特征的多孔材料，其中优选为具有大比表面积和高气体吸附量的金属有机骨架膜、介孔二氧化硅膜材料或聚苯胺纤维；其中，金属有机骨架(MOF)膜包括MOF晶体膜和MOF混合基质膜。
在本发明中，第一气体吸附层和第二气体吸附层能够将稀薄的目标待检测气体先吸收浓缩，然后分别通过光学模块和电学模块获得数据，提高了光学模块和电学模块两侧的检测速度，具有灵敏度高、检测极限高、适用于多种气体同时检测，提高了灵敏度和检测极限。
在一些实施方式中，周期微纳米金属层103由至少一个超表面阵列组成；其中，每个超表面阵列的阵元结构各不相同，且每个超表面阵列分别对应一种气体。
具体地，在一些可选的实施方式中，超表面阵列的阵元结构的二维尺寸为0.5～5μm(例如，可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm)；相邻阵元的间隔距离为0.1～5μm(例如，可以为0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.6μm、0.8μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm)。
需要说明的是，一种气体可以对应有多个超表面阵列。当周期微纳米金属层由至少两个超表面阵列组成时，该至少两个超表面阵列可以对应一种气体，也可以对应至少两种气体。
在一些实施方式中，周期微纳米金属层103采用金、银、铂金或铝。
在一些实施方式中，周期微纳米金属层103的厚度为20～100nm(例如，可以为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm)。
在本发明中，周期微纳米金属层的超表面阵列的阵元结构为能够实现在表面形成等离激元作用的形状，周期微纳米金属层采用的材料为具有产生自由电子集体振荡的金属材料。
在一些实施方式中，支撑层104采用蓝宝石或金刚石。
在一些实施方式中，支撑层104的厚度为100～500nm(例如，可以为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm)。
在本发明中，采用蓝宝石或金刚石的支撑层不仅在红外波段具有优异的光学透过性能，是入射和反射的红外光通过，实现红外光传输；还具有一定的硬度，为整个气体传感架构起到结构支撑的作用，同时取代了传统红外气体传感器的衬底，实现了结构功能一体化的结合，进一步优化了气体传感架构的结构。其中，周期微纳米金属层可以为具有超表面阵列的金属网珊，也可以为设置于支撑层上的呈超表面阵列的金属凸起结构。
在一些实施方式中，当目标待检测气体为还原性气体时，功能层105为N型半导体气敏材料；当目标待检测气体为氧化性气体时，功能层105为P型半导体气敏材料。
具体地，当目标待检测气体为NO、SO、H2S、NH3或CH4等还原性气体时，功能层选用的N型半导体气敏材料可以为SnO2、ZnO；当目标待检测气体为NO、SO、Cl2、O3或SO3等氧化性气体时，功能层选用的P型半导体气敏材料可以为CoO、PbO；同时，本发明的气体传感架构还可以用于检测挥发性有机物(VOCs)，当目标检测气体为乙醇或丙酮的挥发气体时，功能层选用的N型半导体气敏材料。
在一些实施方式中，功能层105的厚度为100～500μm(例如，可以为100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm)。
在本发明中，功能层需要具备高红外反射率和气敏性能，因此选择载流子浓度≥1×1019cm-3的透明导电薄膜，该透明导电薄膜在光学模块中具有优异的红外反射性能，同时当电学模块中的第二气体吸附层吸收富集目标待检测气体时，透明导电薄膜中载流子浓度和迁移率也随之变化，其阻值随之发生变化，通过对比吸附目标待检测气体前后的阻值变化，获得目标待检测气体浓度。
在本发明中，功能层、支撑层与周期微纳米金属层，用于实现激发表面等离子体近场。
本发明提出的一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构，将载流子浓度≥1×1019cm-3的透明导电薄膜用于功能层，该功能层既能充当气体检测敏感元件，也能凭借高红外光反射性充当光学侧的反射层，同时实现了光学模块高效的红外信号反射以及电学模块的电信号输出，具有结构功能一体化的优点，在不增加结构复杂性的情况下将两种传感器类型实现无缝紧密结合，实现了光学和电学两种检测功能的集成。与现有气体传感器相比，大大优化了气体传感架构，结构简单，同时实现了功能的扩展，使得该气体传感架构的检测量程为光学模块提供的检测量程和电学模块提供的检测量程的并集，从而扩宽了检测量程。
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器，包括：红外光源201、探测器202、检测器203、检测室204和任一上述实施方式所提供的气体传感架构205；
气体传感架构205位于检测室204内；检测室204分别与红外光源201、探测器202和检测器203相连接；
红外光源201用于发出红外光；
探测器202用于在目标待检测气体通过气体传感架构205时，接收红外光通过光学模块的光吸收变化信息，以完成对目标待检测气体的浓度检测，获得第一检测结果；
检测器203用于在目标待检测气体通过气体传感架构205时，获取电学模块中功能层的阻值变化，以完成对目标待检测气体的浓度检测，获得第二检测结果。
需要说明的是，红外光源包括但不限于普通红外光源、超材料结构的红外光源。探测器包括但不限于光电探测器、热释电探测器、测微辐射热计的探测器、具有超材料料结构的探测器。检测器包括但不限于用于显示阻值变化的仪表，用于将阻值变化转化为浓度检测结果的模块。检测室的壳体形状包括但不限于长方形、圆形或其它设计需要的形状。
在本发明中，该传感器采用基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构，在半导体式气敏传感器(由检测器和气体传感架构中的电学模块组成)的基础上引入红外气敏传感器(由红外光源、探测器和气体传感架构中的光学模块组成)，能够拓宽半导体式气敏传感器的检测范围，同时提高检测极限，对于目标待检测气体稀薄、浓度低的情况下，仍能完成检测；加快检测速度，缩短检测时间，且灵敏度更高。
如图3所示，在一些实施方式中，检测室204的两端分别设置有进气口301和出气口302；其中，待检测气体由进气口301进入检测室204，并由出气口302排出；待检测气体中包括目标待检测气体；
出气口302的截面积小于进气口301的截面积；
检测室204的壳体内侧表面为金膜。
需要说明的是，检测室的壳体内侧表面涂覆具有高红外光反射率的膜层，不限于金属膜层及介质膜层。
在本发明中，通过设置传感器上出气口的截面积小于进气口的截面积，能够增加目标待检测气体在检测室腔体内的驻留时间，提高检测室腔体内的目标待检测气体的含量，更有利于在目标待检测气体稀薄、浓度低的情况下完成检测。检测室的壳体内侧表面的金膜主要用来增加红外光反射，提高探测器所能检测到的红外光信号。
如图3所示，在一些实施方式中，传感器还包括：加热模块303；
检测室204内设置有加热模块303，且加热模块303位于进气口301的入口处；其中，加热模块303用于加热待检测气体以及为气体传感架构205提供工作温度。
需要说明的是，加热模块包括但不限于加热丝，其中加热丝选用电子元器件常用的加热材料即可，例如钼丝。
在本发明中，加热模块不仅能够加快气体分子的扩散，加快检测速度，缩短检测时间，还能保证气体传感架构中的功能层处于最佳检测状态下，保证该传感器正常稳定工作。
具体地，例如，当目标待检测气体为NO2时，气体传感架构包括依次排列的第一气体吸附层(ZIF-8膜，厚度为0.1μm)、周期微纳米金属层(如图4所示，采用金，厚度为20nm)、支撑层(蓝宝石片，厚度为100nm)、功能层(SnO2薄膜，厚度为100μm)和第二气体吸附层(ZIF-8膜，厚度为0.1μm)。其中，周期微纳米金属层中超表面阵列的阵元结构的二维尺寸为2μm；相邻阵元的间隔距离为2μm。
例如，当目标待检测气体为CO时，气体传感架构包括依次排列的第一气体吸附层(聚苯胺纤维，厚度为0.5μm)、周期微纳米金属层(如图5所示，采用金，厚度为60nm)、支撑层(蓝宝石片，厚度为250nm)、功能层(SnO2薄膜，厚度为250μm)和第二气体吸附层(聚苯胺纤维，厚度为0.5μm)。其中，周期微纳米金属层中超表面阵列的阵元结构的二维尺寸为2μm；相邻阵元的间隔距离为2μm。
例如，当目标待检测气体为O3时，气体传感架构包括依次排列的第一气体吸附层(用于吸附O3的金属有机骨架膜，厚度为0.6μm)、周期微纳米金属层(如图6所示，采用银，厚度为80nm)、支撑层(金刚石片，厚度为250nm)、功能层(ZnO薄膜，厚度为300μm)和第二气体吸附层(用于吸附O3的金属有机骨架膜，厚度为0.6μm)。其中，周期微纳米金属层中超表面阵列的阵元结构的二维尺寸为2μm；相邻阵元的间隔距离为2μm。
例如，当目标待检测气体为O3时，气体传感架构包括依次排列的第一气体吸附层(聚苯胺纤维，厚度为0.4μm)、周期微纳米金属层(如图7所示，采用铂金，厚度为50nm)、支撑层(金刚石片，厚度为300nm)、功能层(Co薄膜，厚度为200μm)和第二气体吸附层(聚苯胺纤维，厚度为0.4μm)。其中，周期微纳米金属层中超表面阵列的阵元结构的二维尺寸为2μm；相邻阵元的间隔距离为2μm。
在一些实施方式中，气体传感架构的检测量程由探测器的检测量程和检测器的检测量程取并集得到。
具体地，气体传感架构的检测量程由红外光源、探测器和光学模块组成的红外气敏传感器的检测量程和由检测器电学模块组成的半导体式气敏传感器的检测量程取并集得到，从而使得包括气体传感架构的检测器具有高灵敏度和大量程。
在一些实施方式中，传感器还包括：处理模块；
处理模块用于根据第一检测结果和第二检测结果，确定目标检测结果；
当第一检测结果和第二检测结果均位于探测器的检测量程和检测器的检测量程的交集内，且第一检测结果和第二检测结果之差小于预设误差阈值时，目标检测结果为第一检测结果或第二检测结果；
当第一检测结果大于第二检测结果，且第一检测结果大于检测器的检测量程的最大值时，目标检测结果为第一检测结果；
当第一检测结果大于第二检测结果，且第二检测结果小于探测器的检测量程的最小值时，目标检测结果为第二检测结果。
在本发明中，由于传感器同时实现了光学和电学的检测，因此会得到两个检测结果，其中第一检测结果位于探测器的检测量程内，第二检测结果位于检测器的检测量程内。具体地，当第一检测结果和第二检测结果均位于探测器的检测量程和检测器的检测量程的交集(即共有的量程)内，且第一检测结果和第二检测结果之差小于预设误差阈值(例如为±5％)时，目标检测结果为第一检测结果或第二检测结果；但当第一检测结果大于第二检测结果，且第一检测结果大于检测器的检测量程的最大值时，即目标检测结果超出了检测器的检测量程，故目标检测结果为仍在探测器量程范围内的第一检测结果；当第一检测结果大于第二检测结果，且第二检测结果小于探测器的检测量程的最小值时，即目标检测结果超出了探测器的检测量程，目标检测结果为仍在检测器量程范围内的第二检测结果。
需要说明的是，本发明中可以由工作人员根据第一检测结果和第二检测结果通过上述处理模块的处理逻辑来确定最终的目标检测结果，也可以基于处理模块获得目标检测结果，从而无需人工确定核验即可直接得出最终准确的目标检测结果。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，如图3所示，下面对本发明实施例提供的一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器进行详细的说明：
一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器包括：红外光源201、探测器202、检测器203、检测室204、气体传感架构205；
红外光源201采用超材料结构的红外光源；
探测器202采用超材料料结构的探测器；
检测器203为用于将阻值变化转化为浓度检测结果的检测器；
检测室204的两端分别设置有进气口301和出气口302；出气口302的截面积小于进气口301的截面积；检测室204的壳体内侧表面为金膜；
检测室204内设置有加热模块303(钼丝)，且加热模块303(钼丝)位于进气口301的入口处；
当目标待检测气体为NO2时，气体传感架构205包括依次排列的第一气体吸附层101(ZIF-8膜，厚度为1μm)、周期微纳米金属层103(如图4所示，采用金，厚度为100nm)、支撑层104(蓝宝石片，厚度为250nm)、功能层105(SnO2薄膜，厚度为500μm)和第二气体吸附层102(ZIF-8膜，厚度为1μm)；其中，周期微纳米金属层103中超表面阵列的阵元结构的二维尺寸为2μm；相邻阵元的间隔距离为2μm。
如图3所示，红外光源用于在检测室内发出红外光，当包含NO2的待测气体从进气口进入检测室时，首先被加热模块加热，然后NO2被两层气体吸附层吸附和富集。其中，NO2被第一气体吸附层吸附富集后，通过周期微纳米金属层的表面增强红外吸收效应，红外光在经过NO2、气体传感架构以及检测室内部多次反射后由探测器结构，从而获得第一检测结果；NO2被第二气体吸附层吸附富集后，通过气体传感架构的功能层发生反应，该功能层的电阻随之发生改变，该电阻变化情况经连接气体传感架构与检测器的导线传输至检测器，进而获得第二检测结果；
根据第一检测结果和第二检测结果，确定目标检测结果。需要说明的是，确定目标检测结果可以由人工获得，也可以为处理模块确定获得。
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构和传感器可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于高载流子浓度导电薄膜的气体传感架构，应用于传感器中，其特征在于，包括：第一气体吸附层、第二气体吸附层、周期微纳米金属层、支撑层和功能层；
所述第一气体吸附层和所述第二气体吸附层均用于吸附富集目标待检测气体；
所述周期微纳米金属层用于激发表面等离子体近场；
所述支撑层用于支撑所述周期微纳米金属层；
所述功能层为透明导电薄膜，所述透明导电薄膜的载流子浓度≥1×1019cm-3；
所述第一气体吸附层、所述周期微纳米金属层、所述支撑层和所述功能层依次叠加组成光学模块；
所述光学模块用于利用外部的红外光源与探测器对所述目标待检测气体的浓度进行检测；其中，所述光学模块中的功能层用于反射红外光；
所述第二气体吸附层和所述功能层组成电学模块；其中，所述电学模块用于根据所述功能层的阻值变化，利用外部的检测器对所述目标待检测气体的浓度进行检测。
2.根据权利要求1所述的气体传感架构，其特征在于：
所述第一气体吸附层和所述第二气体吸附层均为金属有机骨架膜、介孔二氧化硅膜材料或聚苯胺纤维；和/或
所述第一气体吸附层和所述第二气体吸附层的厚度均为0.1～1μm。
3.根据权利要求1所述的气体传感架构，其特征在于：
所述周期微纳米金属层由至少一个超表面阵列组成；其中，每个超表面阵列的阵元结构各不相同，且每个超表面阵列分别对应一种气体。
4.根据权利要求1所述的气体传感架构，其特征在于：
所述周期微纳米金属层采用金、银、铂金或铝；和/或
所述周期微纳米金属层的厚度为20～100nm。
5.根据权利要求1所述的气体传感架构，其特征在于：
所述支撑层采用蓝宝石或金刚石；和/或
所述支撑层的厚度为100～500nm。
6.根据权利要求1所述的气体传感架构，其特征在于：
当所述目标待检测气体为还原性气体时，所述功能层为N型半导体气敏材料；当所述目标待检测气体为氧化性气体时，所述功能层为P型半导体气敏材料；和/或
所述功能层的厚度为100～500μm。
7.根据权利要求1至6中任一所述的气体传感架构，其特征在于：
所述气体传感架构包括依次排列的所述第一气体吸附层、所述周期微纳米金属层、所述支撑层、所述功能层和所述第二气体吸附层。
8.一种基于高载流子浓度导电薄膜的传感器，其特征在于，包括：红外光源、探测器、检测器、检测室和基于权利要求1至7中任一所述的气体传感架构；
所述气体传感架构位于所述检测室内；所述检测室分别与所述红外光源、所述探测器和所述检测器相连接；
所述红外光源用于发出红外光；
所述探测器用于在目标待检测气体通过所述气体传感架构时，接收所述红外光通过所述光学模块的光吸收变化信息，以完成对所述目标待检测气体的浓度检测，获得第一检测结果；
所述检测器用于在目标待检测气体通过所述气体传感架构时，获取所述电学模块中所述功能层的阻值变化，以完成对所述目标待检测气体的浓度检测，获得第二检测结果。
9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，
所述检测室的两端分别设置有进气口和出气口；其中，待检测气体由所述进气口进入所述检测室，并由所述出气口排出；所述待检测气体中包括所述目标待检测气体；
所述出气口的截面积小于所述进气口的截面积；
所述检测室的壳体内侧表面为金膜；
和/或
所述传感器还包括：加热模块；
所述检测室内设置有所述加热模块；其中，所述加热模块用于加热所述待检测气体以及为所述气体传感架构提供工作温度。
10.根据权利要求8或9所述的传感器，其特征在于：
所述气体传感架构的检测量程由所述探测器的检测量程和所述检测器的检测量程取并集得到；和/或
所述传感器还包括：处理模块；
所述处理模块用于根据所述第一检测结果和所述第二检测结果，确定目标检测结果；
当所述第一检测结果和所述第二检测结果均位于所述探测器的检测量程和所述检测器的检测量程的交集内，且所述第一检测结果和所述第二检测结果之差小于预设误差阈值时，所述目标检测结果为所述第一检测结果或所述第二检测结果；
当所述第一检测结果大于所述第二检测结果，且所述第一检测结果大于所述检测器的检测量程的最大值时，所述目标检测结果为所述第一检测结果；
当所述第一检测结果大于所述第二检测结果，且所述第二检测结果小于所述探测器的检测量程的最小值时，所述目标检测结果为所述第二检测结果。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115220137A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-21 | 南京大学 | 一种光谱反射率调控装置及其制备方法 |
| CN115220137B (zh) * | 2022-07-07 | 2023-07-18 | 南京大学 | 一种光谱反射率调控装置及其制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114112973B (zh) | 2023-08-11 |
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