CN210923557U - 一种有毒有害气体检测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种有毒有害气体检测传感器，属于气体检测技术领域。本有毒有害气体检测传感器，包括：壳体，壳体顶端为敞口；介质基板，介质基板水平设置，介质基板设置在壳体内，介质基板的下表面与壳体的底端内壁固定连接；敏感介质膜，敏感介质膜固定连接在介质基板的上表面；人工等离激元体谐振器，人工等离激元体谐振器固定连接在敏感介质膜上；金属微带传输带，金属微带传输带的一端与人工等离激元体谐振器固定连接并电连接，另一端穿过壳体，金属微带传输带固定连接在敏感介质膜上。本气体检测传感器体积小、功耗低、抗外界干扰能力强以及易于集成，同时检测灵敏度高。

Description

一种有毒有害气体检测传感器

技术领域

本实用新型属于气体检测技术领域，具体涉及一种有毒有害气体检测传感器。

背景技术

随着生活水平的日益提升，建筑装饰越来越多进入人们的生活中，通过装饰能够提高人们的居住生活品质，但是伴随而来的是装饰材料中含有的大量有毒有害物质，随着人们对此关注度日益增加，从而建筑家装领域对环保材料的要求日益提升，市场对各类高灵敏度有毒有害气体传感器的需求量迅猛增长。

目前气体传感器主要有半导体气体传感器、电化学气体传感器和红外线气体传感器。上述几种传感器均存在检测稳定性差，检测灵敏度不高等问题，从而造成对有毒有害气体检测不准确，影响居住人的身体情况。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述技术问题提供一种有毒有害气体检测传感器，能够高精度的检测有毒有害气体，检测稳定性好，同时气体检测传感器体积小、功耗低、抗外界干扰能力强以及易于集成。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种有毒有害气体检测传感器，包括：壳体，所述壳体顶端为敞口；介质基板，所述介质基板水平设置，所述介质基板设置在所述壳体内，所述介质基板的下表面与所述壳体的底端内壁固定连接；敏感介质膜，所述敏感介质膜固定连接在所述介质基板的上表面；人工等离激元体谐振器，所述人工等离激元体谐振器固定连接在所述敏感介质膜上；金属微带传输带，所述金属微带传输带的一端与所述人工等离激元体谐振器固定连接并电连接，另一端穿过所述壳体，所述金属微带传输带固定连接在所述敏感介质膜上。

本实用新型的有益效果是：通过敏感介质膜吸附有毒有害气体从而改变整个气体检测传感器的介电常数，再通过向人工等离激元体谐振器发送微波，人工等离激元体谐振器接收微波后产生谐振并散射出传输波，通过对人工等离激元体谐振器的谐振频率与输入反射系数关系得到谐振频点，而谐振频点跟随介电常数的变化会发生偏移，当谐振频点发送漂移时，即说明检测到有毒有害气体，通过本气体检测传感器对有毒有害气体的检测灵敏度高，检测准确性高，同时本气体检测传感器结构小，能够很好的与其他微波电路集成，能够更好的适用于如今物联网的大环境中。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述人工等离激元体谐振器包括金属微带圆环和多个金属条，所述金属微带圆环内为谐振腔，多个所述金属条位于所述谐振腔内，并绕所述金属微带圆环的圆心成环形放射状分布，多个所述金属条的一端与所述金属微带圆环的内环壁固定连接，多个所述金属条的另一端绕所述金属微带圆环的圆心形成圆形空隙，所述圆形空隙的圆心与所述金属微带圆环的圆心重合，两两所述金属条之间均留有间隙，所述间隙均与所述圆形空隙连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过将多个金属条绕金属微带圆环的圆心环状分布，能够将电磁场束缚在谐振腔中，能够大大降低外界电磁信号对气体检测传感器的干扰，能够进一步提高检测精度。

进一步，所述圆形空隙的直径为2-10mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：提高对电磁场的束缚，增加抗干扰能力。

进一步，所述金属微带圆环的外径为10-30mm，所述金属微带圆环的内径为6-28mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：适用于不同大小环境中检测。

进一步，所述金属条为扇形，所述金属条的边长为2-9mm，所述金属条的弧形边与所述金属微带圆环的内环壁固定连接，所述金属条对应的圆心角为10°-30°，所述金属条的个数为12-36个，所述间隙的个数为12-36个。

采用上述进一步方案的有益效果是：对电磁场的束缚效果更好，更能够提高气体检测传感器的检测灵敏度。

进一步，所述敏感介质膜的厚度为0.02-0.1mm，所述敏感介质膜的形状与所述人工等离激元体谐振器和所述金属微带传输带的形状一致。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于敏感介质膜吸附有毒有害气体。

进一步，所述敏感介质膜为氧化锡膜。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过氧化锡膜能够吸附大多数有毒有害物质。

进一步，还包括金属基板，所述金属基板固定设在所述介质基板的下表面和所述壳体底端内壁之间。

采用上述进一步方案的有益效果是：提高介质基板与壳体的连接强度。

进一步，所述介质基板的厚度为0.2-0.8mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：提高整个气体检测传感器的强度。

本实用新型还提供一种采用如上述的有毒有害气体检测传感器的检测方法，包括以下步骤：

S1、取微波发生器，将所述微波发生器的输出端与所述金属微带传输带连通；

S2、所述微波发生器产生微波，微波经所述金属微带传输带传递到所述人工等离激元体谐振器，所述人工等离激元体谐振器产生谐振，并向外散射传输波；

S3、检测步骤S2产生的传输波的输入反射系数和所述人工等离激元体谐振器的谐振频率，得到标准输入反射系数和标准谐振频率，绘制标准谐振频率与标准输入反射系数标准关系曲线，得出标准谐振频点；

S4、将所述气体检测传感器置于待检测环境中一段时间后，检测得到后置输入反射系数和后置谐振频率，根据所述后置输入反射系数和所述后置谐振频率绘制出后置关系曲线，得出后置谐振频点；

S5、对比步骤S3得到的所述标准谐振频点和步骤S4得到的所述后置谐振频点，观察所述后置谐振频点是否发生偏移，若检测到有毒有害气体时，所述后置谐振频点发生偏移，反之则未检测到有毒有害气体。

本检测方法的有益效果是：通过本检测方法检测有毒有害气体更方便，相对于现有的检测方法来说，检测效率高，同时检测精度高。

附图说明

图1为本实用新型气体检测传感器俯视图；

图2为本实用新型气体检测传感器正面剖视图；

图3为本实用新型输入反射系数和谐振频率的关系曲线图；

图4为本实用新型气体检测传感器的工作状态电场分布图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、壳体，2、介质基板，3、金属微带传输带，4、金属微带圆环，5、金属条，6、间隙，7、圆形空隙，8、敏感介质膜，9、金属基板。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例

如图1-图2所示，本实施例提供一种有毒有害气体检测传感器，包括：壳体1，介质基板2，敏感介质膜8，人工等离激元体谐振器和金属微带传输带3。

壳体1顶端为敞口，其中壳体1为长方形，壳体1用于放置介质基板2、敏感介质膜8、人工等离激元体谐振器和金属微带传输带3，从而对壳体1内的部件进行保护。介质基板2水平设置，介质基板2设置在壳体1内，介质基板2的下表面与壳体1的底端内壁固定连接。敏感介质膜8固定连接在介质基板2的上表面。其中敏感介质膜8用于吸附环境中有毒有害气体，其中敏感介质膜8上的介质不同，针对吸附的有毒有害气体不同，从而能够实现对不同有毒有害气体的检测。人工等离激元体谐振器固定连接在敏感介质膜8上。金属微带传输带3的一端与人工等离激元体谐振器固定连接并电连接，另一端穿过壳体1的侧壁，用于方便与微波发生器进行连接，金属微带传输带3固定连接在敏感介质膜8上。其中通过微波发生器与金属微带传输带3连接，从而将微波传递到人工等离激元体谐振器内，微波在人工等离激元体谐振器产生谐振。由于敏感介质膜8吸附有毒有害气体后，介质基板2上的介电常数被改变，从而改变了人工等离激元体谐振器的谐振频率，从而实现对有毒有害气体的检测。其中人工等离激元体谐振器和金属微带传输带3从壳体1敞口处裸露出来，便于对环境中的有毒有害气体检测。

其中金属微带传输带3的宽度可根据介质基板2的介电常数来确定，需要满足，金属微带传输带3的输入阻抗为标准50欧姆，以便于与外部电路进行良好的阻抗匹配。另外金属微带传输带3设置有两根，分别位于人工等离激元体谐振器的两侧。

具体地，本实施例中人工等离激元体谐振器包括金属微带圆环4和多个金属条5，其中金属微带圆环4和多个金属条5为同种材质，金属微带圆环4内为谐振腔，多个金属条5位于谐振腔内，并绕金属微带圆环4的圆心成环形放射状分布，多个金属条5的一端与金属微带圆环4的内环壁固定连接，多个金属条5的另一端绕金属微带圆环4的圆心形成圆形空隙7，圆形空隙7为虚拟的圆形，其中多个金属条5靠近金属微带圆环4圆心的一端两两之间不相连，圆形空隙7的圆心与金属微带圆环4的圆心重合，两两金属条5之间均留有间隙6，间隙6均与圆形空隙7连通。通过在等离激元谐振腔内设置多个金属条5，从而能够形成对电磁波的束缚效果，放大谐振频率变化量，另外大大降低了外界电磁信号对气体检测传感器的干扰，从而提高了对有毒有害气体的检测灵敏度。

具体地，本实施例中圆形空隙7的直径为2-10mm。金属微带圆环4的外径为10-30mm，金属微带圆环4的内径为6-28mm，金属微带圆环4的宽度为1.5-3mm。介质基板2的厚度为0.2-0.8mm。

具体地，本实施例中金属条5为扇形，金属条5的边长为2-9mm，金属条5的弧形边与金属微带圆环4的内环壁固定连接，金属条5对应的圆心角为10°-30°，金属条5的个数为12-36个，间隙6的个数为12-36个。此时本气体检测传感器的灵敏高较高。能够更有利于对有毒有害气体的检测。

具体地，本实施例中敏感介质膜8的厚度为0.02-0.1mm，敏感介质膜8的形状与人工等离激元体谐振器和金属微带传输带3的形状一致，其中敏感介质膜8与人工等离激元体谐振器连接的部分为圆形，与金属微带传输带3连接的部分为长条形。从而敏感介质膜8吸附有毒有害气体的效果更好，从而能够提高本气体检测传感器的检测准确性。

具体地，本实施例中敏感介质膜8为氧化锡膜。当然本敏感介质膜8还可以为其他材质制成，具体可根据需要检测的有毒有害气体的种类自行选择。其中氧化锡膜或其他材质可通过丝网印刷或磁控溅射的方法镀在基片上进行使用。

优选地，本实施例中还包括金属基板9，金属基板9固定设在介质基板2的下表面和壳体1底端内壁之间，通过金属基板9提高介质基板2与壳体1之间的连接强度。

另外本实施例提供一种采用如上述的有毒有害气体检测传感器的检测方法，包括以下步骤：

S1、取微波发生器，将微波发生器的输出端与金属微带传输带3连通。

S2、微波发生器产生微波，微波经金属微带传输带3传递到人工等离激元体谐振器，人工等离激元体谐振器能够接收和发散微波，当人工等离激元体谐振器接收到微波时，人工等离激元体谐振器产生谐振，并向外散射传输波。

S3、检测步骤S2产生的传输波的输入反射系数和人工等离激元体谐振器的谐振频率，由于介质基板2的介电常数为稳定值，从而得到标准输入反射系数和标准谐振频率，根据标准输入反射系数和标准谐振频率，绘制标准谐振频率与标准输入反射系数标准关系曲线，根据绘制标准谐振频率与标准输入反射系数标准关系曲线得出标准谐振频点。

S4、将气体检测传感器置于待检测环境中一段时间后，随着气体检测传感器在待检测环境中放置一段时间之后，继续通过微波发生器向人工等离激元体谐振器发送微波，检测得到后置输入反射系数和后置谐振频率，根据后置输入反射系数和后置谐振频率绘制出后置关系曲线，得出后置谐振频点。

S5、对比步骤S3得到的标准谐振频点和步骤S4得到的后置谐振频点，观察后置谐振频点是否发生偏移，若检测到有毒有害气体时，后置谐振频点发生偏移，反之则未检测到有毒有害气体。

其中检测的原理为：当将气体检测传感器放入到待检测环境中时，敏感介质膜8会吸附环境中的有毒有害气体，当敏感介质膜8吸附有毒有害气体之后，会导致介电常数发生改变，从而改变整个气体检测传感器的介电常数，当人工等离激元体谐振器接收到微波后，人工等离激元体谐振器的电磁场是高度局域化的，由于整个气体检测传感器的介电常数的改变，从而人工等离激元体谐振器的谐振频率随着介电常数的变化而出现线性变化，从而测定的后置谐振频率发生改变，因此根据后置输入反射系数和后置谐振频率绘制出后置关系曲线发生改变，从而得出的后置谐振频点相对标准谐振频点发生偏移。

以下为采用上述实施例进行具体测量的情况。

根据上述实施例制备一个有毒有害气体检测传感器样品，它各部分几何参数如表1所示。

表1

部件	值
		金属微带传输带的长度	20mm
金属微带圆环的外径	20mm
		金属微带圆环的内径	16mm
金属条的边长	6mm
		金属条的对应圆心角	15°
金属条的个数	24个
		金属基板宽度	40mm
金属基板长度	60mm
		金属微带圆环的宽度	1.08mm
介质基板的厚度	0.5mm
		敏感介质膜的厚度	0.05mm

其中介质基板2的介电常数εr为3.52。整体气体检测传感器的介电常数εr为3.0。

通过本气体检测传感器放置在预设的待检测环境中进行测试，根据气体检测传感器得出的输入反射系数S₁₁和谐振频率绘制关系曲线，其中由于气体检测传感器中的敏感介质膜8不断吸附有毒有害气体，从而看出介电常数不断增加，具体本发明人挑选了介电常数εr为7.0、11.0、15.0和19.0的情况以及介电常数εr为3.0时的关系曲线，整合到一起，具体如图3所示，从图3中可以直观看出，谐振频点随着介电常数的变化不断发生偏移。从而能够说明通过本有毒有害气体检测传感器能够准确的检测是否含有有毒有害气体，检测准确性非常高。

另外本发明人还对气体检测传感器在工作状态下的电场分布进行检测，具体如图4所示，从图4中可以看出，本气体检测传感器在工作时，电场能量主要集中于人工等离激元体谐振器的谐振腔内部，从而使得气体检测传感器抗电磁干扰的能力大大加强。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有毒有害气体检测传感器，其特征在于，包括：

壳体(1)，所述壳体(1)顶端为敞口；

介质基板(2)，所述介质基板(2)水平设置，所述介质基板(2)设置在所述壳体(1)内，所述介质基板(2)的下表面与所述壳体(1)的底端内壁固定连接；

敏感介质膜(8)，所述敏感介质膜(8)固定连接在所述介质基板(2)的上表面；

人工等离激元体谐振器，所述人工等离激元体谐振器固定连接在所述敏感介质膜(8)上；

金属微带传输带(3)，所述金属微带传输带(3)的一端与所述人工等离激元体谐振器固定连接并电连接，另一端穿过所述壳体(1)，所述金属微带传输带(3)固定连接在所述敏感介质膜(8)上。

2.根据权利要求1所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，所述人工等离激元体谐振器包括金属微带圆环(4)和多个金属条(5)，所述金属微带圆环(4)内为谐振腔，多个所述金属条(5)位于所述谐振腔内，并绕所述金属微带圆环(4)的圆心成环形放射状分布，多个所述金属条(5)的一端与所述金属微带圆环(4)的内环壁固定连接，多个所述金属条(5)的另一端绕所述金属微带圆环(4)的圆心形成圆形空隙(7)，所述圆形空隙(7)的圆心与所述金属微带圆环(4)的圆心重合，两两所述金属条(5)之间均留有间隙(6)，所述间隙(6)均与所述圆形空隙(7)连通。

3.根据权利要求2所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，所述圆形空隙(7)的直径为2-10mm。

4.根据权利要求2所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，所述金属微带圆环(4)的外径为10-30mm，所述金属微带圆环(4)的内径为6-28mm。

5.根据权利要求2所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，所述金属条(5)为扇形，所述金属条(5)的边长为2-9mm，所述金属条(5)的弧形边与所述金属微带圆环(4)的内环壁固定连接，所述金属条(5)对应的圆心角为10°-30°，所述金属条(5)的个数为12-36个，所述间隙(6)的个数为12-36个。

6.根据权利要求1所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，所述敏感介质膜(8)的厚度为0.02-0.1mm，所述敏感介质膜(8)的形状与所述人工等离激元体谐振器和所述金属微带传输带(3)的形状一致。

7.根据权利要求6所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，所述敏感介质膜(8)为氧化锡膜。

8.根据权利要求1-7任一项所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，还包括金属基板(9)，所述金属基板(9)固定设在所述介质基板(2)的下表面和所述壳体(1)底端内壁之间。

9.根据权利要求1-7任一项所述的有毒有害气体检测传感器，其特征在于，所述介质基板(2)的厚度为0.2-0.8mm。

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