CN207571069U - 一种气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气体传感器，包括陶瓷基底、设置在所述陶瓷基底表面上的一对梳状电极以及覆盖在所述梳状电极和该梳状电极之间的陶瓷基底表面的石墨烯层；所述石墨烯层在吸附传感器所处环境的空气中的杂质分子后改变其自身的电阻特性，使得由所述梳状电极测得的电参数发生变化，进而得到空气中的杂质比例；所述传感器还包括一个设置在所述陶瓷基底底部的加热单元，所述加热单元工作时加热所述陶瓷基底，从而使得所述石墨烯层温度升高，使吸附在所述石墨烯层上的杂质分子的解吸附过程加快。实施本实用新型的一种气体传感器，具有以下有益效果：其灵敏度较高且解吸附较为容易。

Description

一种气体传感器

技术领域

本实用新型涉及电阻元器件，更具体地说，涉及一种气体传感器。

背景技术

气体传感器通常用于检测其所在环境的空气中是否存在某种成分。空气污染的原因是空气中存在不同途径排放到空气中的多种杂质，于是检测空气中是否存在某种杂质或杂质的多少，就成为判断空气是否污染以及污染程度的一个重要的指标；一般来讲，在现有技术中，传感器在含有某种物质成分的空气中时，其某一个电参数会因为这种物质的存在而发生改变，这种改变通常都比较小，因此使得传感器在遇到其检测的物质时电参数改变较大一直是传感器领域努力的方向。而石墨烯作为新型材料，因其二维结构而具有优异的性能，近几年关于石墨烯气敏探测方向的研究越来越多，研究表明石墨烯对某些物质，例如二氧化氮气体，的探测灵敏度较高，具有用于高灵敏气体传感的潜力。虽然如此，石墨烯也存在一定的问题，即其存在解吸附气体分子时间长，影响其作为传感器的应用。主要原因是因为某种物质或杂质的分子吸附到石墨烯表面是以化学吸附的形式，其解吸附较为困难，需要达到一定的条件才可加快解吸附过程。因此，在现有技术中，普遍存在气体传感器的检测灵敏度较低、解吸附较为困难的情况。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述灵敏度较低或解吸附较为困难的缺陷，提供一种灵敏度较高且解吸附较为容易的一种气体传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种气体传感器，包括陶瓷基底、设置在所述陶瓷基底表面上的一对梳状电极以及覆盖在所述梳状电极和该梳状电极之间的陶瓷基底表面的石墨烯层；所述石墨烯层在吸附传感器所处环境的空气中的杂质分子后改变其自身的电阻特性，使得由所述梳状电极测得的电参数发生变化，进而得到空气中的杂质比例；所述传感器还包括一个设置在所述陶瓷基底底部的加热单元，所述加热单元工作时加热所述陶瓷基底，从而使得所述石墨烯层温度升高，使吸附在所述石墨烯层上的杂质分子的解吸附过程加快。

更进一步地，空气中的杂质包括在空气中以分子形式存在的二氧化氮；所述气体传感器包括用于检测空气中二氧化氮的气体传感器。

更进一步地，所述加热单元包括设置在所述陶瓷基底下方的陶瓷片和设置在所述陶瓷片和所述陶瓷基底之间的发热电阻，所述发热电阻通过其两端的触点与外部控制电路连接，在其两端加电时发热，加热所述陶瓷基底。

更进一步地，所述发热电阻包括印刷在所述陶瓷基底的底部表面的导体层形成的电阻丝，所述电阻丝两端设置有连接外部电路的触点。

更进一步地，所述电阻丝的形状包括设置在所述陶瓷基底的底部表面的中心位置的螺旋形或蛇形。

更进一步地，所述陶瓷基底和陶瓷板具有相同的形状，所述陶瓷基底的尺寸大于所述陶瓷板的尺寸，所述陶瓷板的尺寸大于所述电阻丝在所述陶瓷基底上所占用的区域的尺寸。

更进一步地，所述石墨烯层是采用方法在以铜箔为基底利用化学气相沉积法生长的单层石墨烯，并利用聚甲基丙烯酸甲酯作为支撑层湿法将所述单层石墨烯移动并覆盖在所述梳状电极上。

更进一步地，所述陶瓷基底和所述陶瓷板的形状相同，所述陶瓷基底的形状包括圆形和长方形。

更进一步地，所述陶瓷基底和所述陶瓷板的厚度相同。

更进一步地，还包括用于检测所述陶瓷板底部表面的温度，并依据该温度值控制所述发热单元是否继续工作的温度传感器，所述温度传感器检测其所在的所述陶瓷板底部表面的温度值。

实施本实用新型的一种气体传感器，具有以下有益效果：由于在梳状电极的表面覆盖有转移的石墨烯层，所以其吸附杂质的性能得到了加强，同时，吸附杂质后的电参数性能改变也比较大；此外。发热单元的设置使得测量后能够加热上述梳状电极所在的陶瓷基底，继而加热覆盖在所述梳状点击上方的石墨烯层，使得杂质，特别是二氧化氮分子的解吸附过程大大加快，从而既能够得到较大的感应输出信号，要能够快速解吸附，为下次测量做好准备。因此其灵敏度较高且解吸附较为容易。

附图说明

图1是本实用新型一种气体传感器实施例的结构示意图；

图2是所述实施例中所述气体传感器的仰视结构示意图；

图3是所述实施例中陶瓷基底的底面结构示意图；

图4是所述实施例中另一种情况下的传感器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型实施例作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，在本实用新型的一种气体传感器实施例中，该气体传感器，包括陶瓷基底1、设置在所述陶瓷基底1的表面上的一对梳状电极2以及覆盖在所述梳状电极2和该梳状电极2的叉指之间的陶瓷基底1的表面的石墨烯层3；所述石墨烯层3在吸附该传感器所处环境的空气中的杂质分子后改变其自身的电阻特性，使得由所述梳状电极2测得的电参数发生变化，进而得到空气中的杂质比例或含量；所述传感器还包括一个设置在所述陶瓷基底1底部的加热单元，所述加热单元工作时加热所述陶瓷基底1，从而使得所述石墨烯层3温度升高，使吸附在所述石墨烯层3上的杂质分子的解吸附过程加快。所述加热单元包括设置在所述陶瓷基底1下方的陶瓷片5和设置在所述陶瓷片5和所述陶瓷基底1之间的发热电阻4，所述发热电阻4通过其两端的触点41与外部控制电路连接，在其两端加电时发热，加热所述陶瓷基底1。在本实施例中，上述梳状电极2有两个分别具有多个叉指的电极构成，每个电极的叉指在其一端连接在一起，形成接触点21，每个接触点21上分别连接有引出线22，以便于和外部电路进行连接；在本实施例中，请参见图1，上述一端连接在一起的一个叉指电极的两个叉指之间，是另一个一端连接在一起的叉指电极的一个叉指。而上述石墨烯3覆盖在这些叉指和隔离这些叉指的陶瓷基板1的表面上(由于不同电极之间的差值并不连接，而同一个电极上的叉指也仅仅是在其一端连接，所以叉指之间有暴露的陶瓷基底1的表面)。在本实施例中，上述空气中的杂质包括在空气中以分子形式存在的二氧化氮；所述气体传感器包括用于检测空气中二氧化氮的气体传感器。也就是说，当上述气体传感器放置在包含有二氧化氮的空气中时，空气中的二氧化氮分子会较快地吸附在上述石墨烯3的表面，使得石墨烯3的导电性能，也就是电阻性能改变，导致由上述引出线22测得的电参数发生改变，根据这个改变的大小，就能够得到上述空气中二氧化氮的含量。

请参见图3，在本实施例中，所述发热电阻包括印刷在所述陶瓷基底1的底部表面的导体层形成的电阻丝4，所述电阻丝4两端设置有连接外部电路的触点41，同样地，这些触点41同样连接在电阻引出线42上，通过电阻引出线42与外部电路连接。所述电阻丝4的形状包括设置在所述陶瓷基底1的底部表面的中心位置的螺旋形或蛇形。图3中给出了一种蛇形线的结构示意图。

在本实施例中，所述石墨烯层是采用方法在以铜箔为基底利用化学气相沉积法生长的单层石墨烯，并利用聚甲基丙烯酸甲酯作为支撑层湿法将所述单层石墨烯3移动并覆盖在所述梳状电极2上。

更进一步地，所述陶瓷基底1和陶瓷板5具有相同的形状，所述陶瓷基底1的尺寸大于所述陶瓷板3的尺寸(请参见图2)，所述陶瓷板5的尺寸大于所述电阻丝4在所述陶瓷基底1的底面上所占用的区域的尺寸。因此，在图2中，有上述陶瓷板5的角度看上去时，不能看到电阻丝4，该电阻丝4被陶瓷板5覆盖，但是明显地，陶瓷基底1是大于上述陶瓷板5的，图2中陶瓷基底1突出于上述陶瓷板5。

在本实施例中，加热固然可以加速上述二氧化氮分子的解吸附，但是，对于一个传感器二氧，当然是希望在需要的时候加热，达到解吸附的效果。而在希望吸附较多的二氧化氮时，则并不需要加热。因此，一个加热控制单元是比较重要的。其不仅能够控制加热的时间，而且可以控制加热的温度，从而使得能达到精准控制的要求，从整体上来说，减少该气体传感器的检测时间，使得其检测效果增加。

要对加热进行控制，首先的一个条件，就是要知道当前加热的温度。在本实施例中，通过设置所述陶瓷基底1和所述陶瓷板5的厚度相同。在材质和厚度都相同的情况下，上述陶瓷板底面的温度是大致等于上述陶瓷基底表面的温度的，所以在本实施例中，上述传感器还包括用于检测所述陶瓷板底部表面的温度，并依据该温度值控制所述发热单元是否继续工作的温度传感器，所述温度传感器检测其所在的所述陶瓷板底部表面的温度值。这样，当得到上述陶瓷板5底部的温度时，就能够得到上述陶瓷基底1的表面温度，进而通过加热控制单元(图中未示出)对加热单元进行控制。

在本实施例中，所述陶瓷基底1和所述陶瓷板5的形状相同，图1到图3示出的陶瓷基底1是长方形的。在本实施例中的一些情况下，所述陶瓷基底1的形状包括也可以是圆形，请参见图4。

总体上来说，在本实施例中，发热电阻4印刷在上陶瓷基体1的下方表面，发热电阻焊盘(电阻触点41)设置在发热电阻4的两端并印刷在陶瓷基底1的下表面；陶瓷片5与陶瓷基底1贴合如图2所示，陶瓷片5长度比陶瓷基底1短一些，但覆盖着发热电阻4所在区域，与陶瓷基底1贴合，贴合时将发热电阻4的电阻触点41露出，并焊接电阻引线42；气敏传感部分的梳状交叉电极2印刷在陶瓷基底1的表面，相隔的叉指电极间隔为0.5-1mm，相隔的平行交叉电极线互不接触，石墨烯层3为单层的碳原子按六边形排列所构成的二维结构的石墨烯，每一个六边形的交点均为碳原子，石墨烯层3位于上陶瓷基底1上，并覆盖梳状交叉电极2，电极引线22由导电银浆或直接焊接在梳状交叉电极2的电阻触点21处。

在本实施例中的一种情况下，陶瓷基体1长宽高分别为10mm，6mm，0.5mm，陶瓷片5长宽高分别为8mm，6mm，0.5mm，梳状电极3的长宽分别为5mm，5mm，石墨烯3长宽为5mm，5mm。同时，上述尺寸仅仅是一个说明，具体尺寸可根据实际需要改变，其陶瓷基底1和陶瓷片5长宽均可在10cm以内，梳状电极2和石墨烯3较小于陶瓷基底1即可(目前单层石墨烯已经可以制备出长宽10cm以上的尺寸)，梳状电极2的材料可选用金，铜，铬等金属，优先采用铬作为电极材料。

检测时，电阻引线42连接发热电源或温控系统，其上出现压差一般使电流在上述发热电阻4上流动，使得该发热电阻4发热来加热陶瓷基底1和陶瓷片5，由于石墨烯3直接与陶瓷基底1表面接触，因此可以迅速且精准的控制石墨烯3的温度；石墨烯3是以铜箔为基底利用化学气相沉积法生长的单层石墨烯，利用聚甲基丙烯酸甲酯作为支撑层湿法转移到陶瓷基底1上的，转移的单层石墨烯难免有所缺陷，梳状电极2则可以削弱缺陷所带来的性能损失，同时降低石墨烯气敏元件的电阻，提高响应度，当气体中的杂质分子接触到石墨烯3时，石墨烯3的电阻会发生变化，用外部电路连接电极引线22，来探测石墨烯3的电阻变化，不同浓度的气体对石墨烯3的电阻影响不同，越浓的气体电阻变化越大，因此可以根据电阻变化来探测气体浓度，当探测完毕，利用温控系统加热发热电阻，来加快解除气体分子与石墨烯之间的吸附效果，即加快石墨烯电阻回复到初始值。等到解吸附完成，关闭加热电源。在本实施例中，加热不会影响石墨烯对于气体中的杂质(本实施例中是二氧化氮)的探测效果，同时加热可以有效的加快解吸附时间。

为了进一步准确地控制加热时间及其加热温度，在本实施例中，还可在陶瓷片5的下表面加上温控电阻或者温度探测器，由于陶瓷基底1与陶瓷片5的厚度一致，材料一致，因此加热电阻加热时，由于上陶瓷上表面距离加热电阻的距离等于下陶瓷下表面的距离，所以上陶瓷表面的温度等同于下陶瓷下表面的温度.在下陶瓷下表面加温度探测器，探测到的温度就是上陶瓷上表面的温度，因此可精准的探测到上陶瓷上表面的温度，而石墨烯3紧贴合在上陶瓷上表面，也就可以精准的探测到石墨烯的温度。如果加温控电阻或温控系统，即可精准的控制石墨烯温度。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种气体传感器，其特征在于，包括陶瓷基底、设置在所述陶瓷基底表面上的一对梳状电极以及覆盖在所述梳状电极和该梳状电极之间的陶瓷基底表面的石墨烯层；所述石墨烯层在吸附传感器所处环境的空气中的杂质分子后改变其自身的电阻特性，使得由所述梳状电极测得的电参数发生变化，进而得到空气中的杂质比例；所述传感器还包括一个设置在所述陶瓷基底底部的加热单元，所述加热单元工作时加热所述陶瓷基底，从而使得所述石墨烯层温度升高，使吸附在所述石墨烯层上的杂质分子的解吸附过程加快。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，空气中的杂质包括在空气中以分子形式存在的二氧化氮；所述气体传感器包括用于检测空气中二氧化氮的气体传感器。

3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述加热单元包括设置在所述陶瓷基底下方的陶瓷片和设置在所述陶瓷片和所述陶瓷基底之间的发热电阻，所述发热电阻通过其两端的触点与外部控制电路连接，在其两端加电时发热，加热所述陶瓷基底。

4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，所述发热电阻包括印刷在所述陶瓷基底的底部表面的导体层形成的电阻丝，所述电阻丝两端设置有连接外部电路的触点。

5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述电阻丝的形状包括设置在所述陶瓷基底的底部表面的中心位置的螺旋形或蛇形。

6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述陶瓷基底和陶瓷板具有相同的形状，所述陶瓷基底的尺寸大于所述陶瓷板的尺寸，所述陶瓷板的尺寸大于所述电阻丝在所述陶瓷基底上所占用的区域的尺寸。

7.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述石墨烯层是采用方法在以铜箔为基底利用化学气相沉积法生长的单层石墨烯，并利用聚甲基丙烯酸甲酯作为支撑层湿法将所述单层石墨烯移动并覆盖在所述梳状电极上。

8.根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述陶瓷基底和所述陶瓷板的形状相同，所述陶瓷基底的形状包括圆形和长方形。

9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述陶瓷基底和所述陶瓷板的厚度相同。

10.根据权利要求9所述气体传感器，其特征在于，还包括用于检测所述陶瓷板底部表面的温度，并依据该温度值控制所述发热单元是否继续工作的温度传感器，所述温度传感器检测其所在的所述陶瓷板底部表面的温度值。