CN117571794B - 一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及甲醛气体探测领域，具体提供了一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置，该装置包括基底，基底上侧固定设置有加热层，加热层远离基底一侧固定设置有传感层，传感层远离加热层一侧固定设置有电极层，电极层包括两个电极，两个电极分别固定设置于传感层的两端，电极层远离传感层一侧设置光源，光源与电极层不接触；光源发出的光照射在两个电极之间的传感层表面，待测甲醛分子由光源和电极层之间进入装置，与传感层接触，产生氧化还原反应，引起传感层电阻的变化，两个电极连接外电路，用于探测传感层的电阻变化，根据电阻变化探测待测甲醛分子的浓度。本申请从光学角度对甲醛探测装置的灵敏度进行提升，使得甲醛探测装置的灵敏度进一步提高。

Description

一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置

技术领域

本申请涉及甲醛气体探测领域，具体而言，涉及一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置。

背景技术

近年来，随着室内空气质量日益受到关注，甲醛作为空气中的有机污染物，对人们的健康造成了较大的危害，尤其在装修后的房间内、办公场所、汽车内部、医疗场所等等。室内装修、新家具、地板、涂料、胶水等会释放甲醛，甲醛会导致眼、鼻、喉刺激、头痛、呼吸不适等不适症状，严重危害人体健康。因此，需要对空气中的甲醛浓度进行精准探测。

现有的甲醛探测装置的原理包括光电离法、色谱法、激光吸收光谱法、电化学法、氧化还原法等等。光电离传感器通过测量光电子产生的电流来检测甲醛。色谱仪通过分离混合气体中的不同成分，然后测量气体的浓度。激光吸收光谱法利用激光源产生特定波长的激光，然后测量激光在通过空气中含有甲醛的样品时的吸收，通过监测吸收峰的变化，可以确定甲醛的浓度。电化学传感器使用含有特定催化剂的电极，当甲醛与催化剂相互作用时，会引起电流的变化，通过测量电流变化，可以确定甲醛的浓度。基于氧化还原法的传感器利用半导体材料进行探测，当甲醛气体半导体材料的电学性质，例如电阻率或电导率，测量电学性质的变化可以确定甲醛气体的浓度。其中常见的是电化学法和氧化还原法相关的探测装置。由于具有低成本、多种气体敏感、持久性较好等优势，基于氧化还原法的甲醛探测装置应用范围最广。

基于氧化还原法的甲醛探测装置在使用时为了提升氧化还原反应的强度，对半导体材料进行加热，较高的温度会提升氧化还原反应的反应速率，从而提升甲醛探测的灵敏度。一般加热温度为200-400℃，温度越高，氧化还原反应速率越快，甲醛探测的灵敏度越高，如名称为“Design of highly sensitive and selective xylene gas sensor basedon Ni-doped MoO₃ nano-pompon”的论文中的研究成果所示；但是，温度过高会引起半导体材料的老化和退化，使得装置寿命缩短，还会损伤电路，增加能耗。因此，通过增加温度来提升灵敏度的程度有限，也就是，随着温度的提升，甲醛探测装置的灵敏度不会无限制提升，提升到一定程度，甲醛探测的灵敏度无法进一步提升。

综上所述，现有技术中的甲醛探测装置的探测灵敏度难以进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置，以解决现有技术中的甲醛探测装置的探测灵敏度难以进一步提升的问题。

本申请的技术构思是：本申请不通过提升工作温度的方式进一步提升甲醛探测装置的灵敏度，而是在装置中引入光场，从光生电子等角度对氧化还原反应的强度进行提升，整体思路于传统方式不同。具体地，传感时，氧化锌表面吸附甲醛分子，甲醛分子与氧化锌材料中的电子产生氧化还原反应，从而氧化锌材料中的电子浓度产生变化，电子浓度的变化使得氧化锌材料的电阻变化，电阻的变化通过电极连接外电路进行检测，通过氧化锌电阻的变化能够探测氧化锌表面空气中的甲醛浓度。对氧化锌材料进行光照，氧化锌材料中的电子由价带运动到导带，使得自由移动电子的数量增大，从而提升了与甲醛分子氧化还原反应的强度，从而提升了甲醛探测的灵敏度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本申请提供一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置，该装置包括基底，基底上侧固定设置有加热层，加热层远离基底一侧固定设置有传感层，传感层远离加热层一侧固定设置有电极层，电极层包括两个电极，两个电极分别固定设置于传感层的两端，电极层远离传感层一侧设置有光源，光源与电极层不接触；光源发出的光照射在两个电极之间的传感层表面，待测甲醛分子由光源和电极层之间进入装置，与传感层接触，产生氧化还原反应，引起传感层电阻的变化，两个电极连接外电路，用于探测传感层的电阻变化，根据电阻变化探测待测甲醛分子的浓度。

进一步地，传感层的材料为氧化锌，传感层的厚度为50-800nm。

更进一步地，传感层表面设置有楔形凹陷，楔形凹陷的深度为传感层厚度的五分之一至五分之四。

更进一步地，楔形凹陷有多个，相邻楔形凹陷之间为平面。

更进一步地，楔形凹陷有多个，相邻楔形凹陷之间为锥状结构，凹陷结构的底端与锥状结构的顶端在同一直线上，且与凹陷结构的侧壁共面。

更进一步地，楔形凹陷的底部设置有金属铂纳米线，金属铂纳米线的直径为3-50nm，金属铂纳米线的中心轴方向与楔形凹陷的底端延伸方向相同。

更进一步地，加热层的材料为二氧化锡、二氧化钨、二氧化钴中的一种，加热层的厚度为60-500nm。

更进一步地，电极层的材料为铜、铂、石墨、氧化钨、氧化钒中的一种，电极层的厚度为10-200nm，两个电极的形状和尺寸相同；基底的材料为氧化铝、硅、聚酰亚胺中的一种，基底的厚度为100μm-2mm。

更进一步地，基底、加热层、传感层的面积相同，且大于电极层的面积。

更进一步地，外电路包括电源、电压表、电流表、保护电阻，外电路与电极层的两个电极连接，形成回路。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本申请探测装置中光源发出的光照射在传感层表面，使得传感层内部的电子从价带运动到导带，从而更多的电子能够在半导体内部自由移动，参与到氧化锌与甲醛分子的氧化还原过程中，使得氧化还原反应的强度增强；这样，相同的甲醛浓度变化能够引起氧化锌材料中更多电子的转移，从而电阻的变化更大，提升了甲醛浓度的探测灵敏度。本申请从光学的角度对甲醛探测装置的灵敏度进行进一步提升。

附图说明

图1为本发明提供的一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置的示意图；

图2为本发明提供的另一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置中传感层的示意图；

图3为本发明提供的再一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置中传感层的示意图。

图标：1-基底；2-加热层；3-传感层；4-电极层；5-吸附颗粒。

具体实施方式

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

本发明提供了一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置，如图1所示，该装置包括基底1，基底1的材料为氧化铝、硅、聚酰亚胺中的一种，基底1的厚度为100μm-2mm，基底1的形状可以为矩形、圆形等任意形状，优选地，基底1的形状为矩形，这样方便制备，也方便在其上叠层设置其他层状结构。基底1上侧固定设置有加热层2，加热层2的材料为二氧化锡、二氧化钨、二氧化钴中的一种，加热层2的厚度为60-500nm，加热层2的两端设置有用于连接电路的电极，通过电极连接电路，为加热层2施加电压，加热层2通电后，将电能转化为热能，加热其上的传感层3。加热层2远离基底1一侧固定设置有传感层3，传感层3的材料为氧化锌，用于吸附甲醛分子，并与甲醛分子产生氧化还原反应，改变传感层3内部的电子浓度，从而改变其电阻；传感层3的厚度为50-800nm。传感层3远离加热层2一侧固定设置有电极层4，电极层4的材料为铜、铂、石墨、氧化钨、氧化钒中的一种，电极层4的厚度为10-200nm；电极层4包括两个电极，两个电极的形状和尺寸相同，两个电极分别固定设置于传感层3的两端；两个电极用于连接外电路，探测传感层3中的电阻变化，根据电阻变化探测甲醛浓度变化。

外电路包括电源、电压表、电流表、保护电阻，外电路与电极层4的两个电极连接，形成回路，其中电源用于提供电能，电压表和流表用于探测外电路中的电压值和电流值，电压表和电流表可以根据探测原理选用，得到传感层3的电阻值，保护电阻用于防止外电路中电流过大，损坏装置或电路元件，起到保护作用。基底1、加热层2、传感层3的面积相同，优选地，都为矩形，形状相同，面积大于电极层4的面积。基底1、加热层2、传感层3、电极层4之间通过沉积、粘合、热压等方式实现固定连接。电极层4远离传感层3一侧设置光源，光源与电极层4不接触；光源发出的光照射在两个电极之间的传感层3表面，待测甲醛分子由光源和电极层4之间进入装置，与传感层3接触，产生氧化还原反应，引起传感层3电阻的变化，两个电极连接外电路，用于探测传感层3的电阻变化，根据电阻变化探测待测甲醛分子的浓度。

待检测的甲醛分子与传感层3接触。首先，传感层3的表面吸附甲醛分子，传感层3的表面上存在活性位点，甲醛分子吸附在活性位点上；然后，吸附的甲醛分子与传感层3表面发生氧化还原反应，将甲醛氧化为甲酸等产物，使得传感层3上的电子发生转移；电子的转移会导致传感层3的电导率变化，即电阻会随甲醛浓度的变化而变化。因此，通过检测传感层3的电阻变化能够得到甲醛浓度的变化。使用时，将基底1固定设置于待检测位置连接加热层2和传感层3的电路，即可进行甲醛浓度的灵敏探测。

加热层2对传感层3起到加热作用，一方面，由于温度的升高使得分子动能增加，有助于克服表面势垒，加热能够促进传感层3表面活性位点对甲醛分子的吸附作用；另一方面，增加的动能使得分子运动加剧，加热能够促进氧化还原反应的反应速率，使得氧化还原反应的强度增大，从而提升甲醛分子探测的灵敏度；再一方面，加热使得电子的运动速度加快，电子的移动速度增大，使得传感层3的电阻随电子转移而变化的程度更快，从而提升灵敏度；再一方面，温度升高后，环境中的干扰对于传感层3中的传感过程的影响较小，从而能够减小环境中的噪声干扰，使得探测结果更准确。

在光源发出的光的照射下，传感层3的电学性质发生变化。具体地，一方面，光子与传感层3中的电子相互作用，使得传感层3能带结构上的电子分布变化，在光子的作用下，电子由价带跃迁到导带，导带中的电子能够在传感层3中自由移动，电子移动到传感层3表面，与吸附的甲醛分子相互作用，产生氧化还原反应，自由电子浓度的提升，使得氧化还原反应的强度提升，从而提升了甲醛分子浓度变化引起的传感层3电阻变化；另一方面，自由电子浓度的提升，使得电子浓度变化引起的电阻变化幅度更大，从而提升甲醛分子的探测灵敏度；再一方面，光子照射在传感层3的表面，产生的大量光生载流子使得局部电场强度增强，强电场使得氧化还原反应的活化能减小，这样，氧化还原反应更容易进行，从而传感层3中的电子浓度变化较大，提升探测灵敏度。因此，光场设置能够大幅提升甲醛分子探测的灵敏度。

同时，光场的照射使得传感层3内部的载流子浓度增加，同时使得内部产生较强的局域电场。载流子浓度的增加使得加热层2引起的载流子动能增加更多，光生载流子的产生使得传感层3内部的载流子间距减小，间距减小的同时动能较大，这使得载流子移动过程中的相互干扰更大，从而使得电阻增大更多，电子减小时，减小更多，因此，甲醛探测的灵敏度得到提升。光场的存在弥补了加热层2加热过程中的温度梯度引起的电子运动差异，也就是，传感层3靠近加热层2一侧温度较高，远离加热层2一侧温度较低，之间存在温度梯度，温度梯度使得不同温度范围内的电子移动速率不同，从而使得电阻的变化不准确；光场的存在使得传感层3内部远离加热层2一侧产生较强的电场，在较强的电场作用下，不同温度范围内的电子移动速度差异减小，从而使得电子运动速度趋于一致。因此，本申请探测装置的探测灵敏度较高。

进一步地，如图2所示，传感层3远离加热层2一侧的表面上设置有楔形凹陷，楔形凹陷的深度为传感层3厚度的五分之一至五分之四，楔形凹陷为对称结构，楔形凹陷的宽度小于等于楔形凹陷的深度。一方面，楔形凹陷形成了伸向加热层2方向的尖锥，加热层2的热场更容易传递到楔形凹陷的下尖端处，同时，光场内局域在楔形凹陷中，在下尖端处形成较强的光场，传感层3中的电子聚集在下尖端处，下尖端处电子浓度较高，且动能较大，因此下尖端处吸附的甲醛分子产生氧化还原反应的强度较大，时间较长，从而引起的电阻变化更大，探测灵敏度更高。另一方面，楔形凹陷结构增大了传感层3的上侧表面积，增大了传感层3对甲醛分子的吸附能力，从而提升甲醛分子与电子氧化还原反应的强度，最终提升传感层3的电阻变化，提高甲醛探测灵敏度。楔形凹陷也减小了传感层3导电厚度，使得传感层3电阻相对改变更多。

楔形凹陷有多个，相邻楔形凹陷之间可以为平面，即相邻楔形凹陷之间存在间距，也可以为锥状结构；优选地，相邻楔形凹陷之间为锥状结构，如图3所示，楔形凹陷结构的底端与锥状结构的顶端在同一直线上，且与楔形凹陷结构的侧壁共面；楔形凹陷结构的底端与锥状结构的顶端在竖直方向上的高度大于等于楔形凹陷结构的深度。这样，形成了上尖端和下尖端，上尖端距离光场更近，由于上尖端和下尖端处曲率均较大，形成了电荷聚集热点，光场在上尖端和下尖端处形成强反应点，上尖端和下尖端处吸附甲醛分子产生的氧化还原反应强度较大，因此，能够引起更大的电阻变化，提升反应灵敏度。同时，上尖端和下尖端处的载流子浓度较大，形成的内建电场的强度较大，且二者之间距离加热层2的距离不同，所以温度存在差异，温度的差异以及较强内建电场，使得上尖端和下尖端处的电场存在耦合，耦合使得上尖端与下尖端之间的平面上的电子更容易分布在靠近表面一侧，即使得传感层3的表面产生更多的电子，从而与甲醛分子的反应强度更大，进一步提升探测灵敏度。

相邻楔形凹陷结构的深度可以相同，也可以不同。优选地，相邻楔形凹陷结构的深度不同，如图3所示，楔形凹陷包括第一楔形凹陷和第二楔形凹陷，第一楔形凹陷的深度较深，深度为传感层3厚度的五分之三到五分之四，第二楔形凹陷的深度较浅，深度为传感层3厚度的五分之一到五分之二；相邻第一楔形凹陷之间设置有3-5个第二楔形凹陷，第二楔形凹陷的深度可以相同也可以不相同。这样，第一楔形凹陷的深度大于第二楔形凹陷的深度，第一楔形凹陷和第二楔形凹陷的上尖端和下尖端均为甲醛氧化还原反应的热点，上尖端和下尖端处均存在较强的电场，由于深度不同，第一楔形凹陷下尖端处的强电场与第二楔形凹陷下尖端处的强电场之间存在耦合作用，使得电子在竖直方向，即垂直传感层3方向上的移动更快，促进了不同深度处电子的交换，从而充分利用了传感层3内部的载流子，避免了甲醛浓度过大时，氧化还原反应出现饱和的情况，从而提升甲醛浓度较高时的甲醛探测灵敏度。另一方面，第一楔形凹陷下尖端处的温度高于第二楔形凹陷下尖端处的温度，从而第一楔形凹陷下尖端的氧化还原反应受热场影响更大，第二楔形凹陷受光场影响较大，整体上，光场和热场对氧化还原反应产生的促进作用对应在载流子在传感层3内部进行充分混合，从而使得光场和热场的促进作用相互增强，最终提升氧化还原反应的强度，提高探测灵敏度。

第一楔形凹陷的深度可以相同也可以不同；第一楔形凹陷深度相同时容易制备；优选地，第一楔形凹陷的深度不同，传感层3中间位置的第一楔形凹陷深度小于两侧第一楔形凹陷的深度，从中间到两侧，第一楔形凹陷的深度逐渐增大，且对称分布，第一楔形凹陷的下尖端分布于圆弧上。这样一来，相邻第一楔形凹陷的下尖端之间存在高度差，之间局域强电场的耦合方向沿二者连线方向，在水平方向上的耦合能够促进之间第二楔形凹陷间的电子迁移，从而提升氧化还原反应的速率，在竖直方向上的耦合能够增强载流子在竖直方向上的移动，进而避免温度差异引起的载流子留滞；进一步提升探测灵敏度。

进一步地，在楔形凹陷的底端固定设置有金属铂纳米线。金属铂纳米线的直径为3-50nm，金属铂纳米线的中心轴方向与楔形凹陷的底端延伸方向相同；每个楔形凹陷中都设置有金属铂纳米线。这样，一方面，金属铂纳米线能够提升对甲醛分子的吸附作用，使得甲醛分子不易脱附，延长甲醛分子与氧化锌材料氧化还原反应的时间；另一方面，铂属于金属，内部包含大量的自由电子，光照作用下产生等离激元共振，其表面产生强电场，大量电子分布于表面，对光起到进一步的局域作用，从而增强光场的效果；再一方面，为甲醛分子的氧化还原反应提供电子、强电场，同时降低活化能，使得氧化还原反应容易进行，起到催化剂的作用，增强氧化还原反应强度，最终提升探测灵敏度。

在楔形凹陷的侧壁上设置吸附颗粒5，吸附颗粒5的材料可以为铂、钯、氧化铁、氧化钨，吸附颗粒5的直径为20-200nm，吸附颗粒5靠近上尖端和下尖端处的间距小于其他区域的间距；吸附颗粒5为传感层3引入活性位点，增强对甲醛的吸附作用，从而使得甲醛与传感层3的氧化还原反应更充分，提升探测灵敏度。另外，吸附颗粒5的材料为铂时，在光照射下产生局域表面等离激元效应，增强光场的局域效果，使得反应位点的氧化还原反应的强度进一步提升；吸附颗粒5还与金属铂纳米线之间产生共振耦合，使得对侧电场强度更强，从而增强甲醛分子与传感层3的氧化还原反应强度，最终提升探测甲醛分子浓度的探测灵敏度。本申请中的吸附颗粒5和金属铂纳米线可以使用磁控溅射等方法制备。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光增强型氧化锌甲醛探测装置，其特征在于，所述装置包括基底，所述基底上侧固定设置有加热层，所述加热层远离所述基底一侧固定设置有传感层，所述传感层远离所述加热层一侧固定设置有电极层，所述电极层包括两个电极，两个所述电极分别固定设置于所述传感层的两端，所述电极层远离所述传感层一侧设置光源，所述光源与所述电极层不接触；所述光源发出的光照射在两个所述电极之间的所述传感层表面，待测甲醛分子由所述光源和所述电极层之间进入所述装置，与所述传感层接触，产生氧化还原反应，引起所述传感层电阻的变化，两个所述电极连接外电路，用于探测所述传感层的电阻变化，根据电阻变化探测所述待测甲醛分子的浓度；所述传感层的材料为氧化锌；所述传感层表面设置有楔形凹陷，所述楔形凹陷的深度为所述传感层厚度的五分之一至五分之四；所述楔形凹陷有多个，相邻所述楔形凹陷之间为锥状结构，所述凹陷结构的底端与所述锥状结构的顶端在同一直线上，且与所述凹陷结构的侧壁共面；所述楔形凹陷的底部设置有金属铂纳米线，所述金属铂纳米线的直径为3-50nm，所述金属铂纳米线的中心轴方向与所述楔形凹陷的底端延伸方向相同。

2.根据权利要求1所述的激光增强型氧化锌甲醛探测装置，其特征在于，所述传感层的厚度为50-800nm。

3.根据权利要求2所述的激光增强型氧化锌甲醛探测装置，其特征在于，所述加热层的材料为二氧化锡、二氧化钨、二氧化钴中的一种，所述加热层的厚度为60-500nm，通过向所述加热层通电的方式加热所述加热层。

4.根据权利要求3所述的激光增强型氧化锌甲醛探测装置，其特征在于，所述电极层的材料为铜、铂、石墨、氧化钨、氧化钒中的一种，所述电极层的厚度为10-200nm，两个所述电极的形状和尺寸相同；所述基底的材料为氧化铝、硅、聚酰亚胺中的一种，所述基底的厚度为100μm-2mm。

5.根据权利要求4所述的激光增强型氧化锌甲醛探测装置，其特征在于，所述基底、所述加热层、所述传感层的面积相同，且大于所述电极层的面积。

6.根据权利要求5所述的激光增强型氧化锌甲醛探测装置，其特征在于，所述外电路包括电源、电压表、电流表、保护电阻，所述外电路的两个电极分别与两个所述电极电连通，其中所述电源用于提供电能，所述电压表和所述电流表用于探测所述外电路中的电压值和电流值，得到所述传感层的电阻值，所述保护电阻用于防止所述外电路中电流过大，损坏所述装置或电路元件，起到保护作用。