CN103940712B - 雾霾颗粒物探测芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种雾霾颗粒物探测芯片及其制造方法，该芯片包括层状结构，从最底层到最上层依次为：玻璃基底、CdSe薄膜、贵金属纳米点阵列、银对梳妆电极***、氧化铝薄膜和增透膜。采用本发明提供的雾霾颗粒物探测芯片，通过银对梳妆电极***可以实现在保证较小的感光区域宽度的同时尽量增大感光面积，较小的感光区域宽度可以降低芯片的响应时间，并通过贵金属纳米点阵列放大光信号，从而提高芯片的检测灵敏度。

Description

雾霾颗粒物探测芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种大气污染监测领域，特别是涉及一种雾霾颗粒物探测芯片及其制造方法。
背景技术
当前，以可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出。随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，大气污染防治压力继续加大。大气质量作为环境问题中不可或缺的一部分影响着我们的身体健康及日常生活,在当前中国城市空气质量不断恶化的情况下，亟需一条行之有效的方法来监察大气的污染。
光散射法探测雾霾颗粒物是一种被证明有效的大气污染探测方法。光散射法利用空气中的颗粒对不同波长的激光产生散射的现象，利用散射的光信号转化为电信号，通过相关的数学公式，将其转化成空气中实际的颗粒物数量。最具代表性的是美国Dylos公司推出的Dylos-DC1700，它选用绿激光作为激光光源，通过光敏材料将光信号转化为高低电平的电信号，进而粗略统计出空气中所含颗粒物的数量。
发明内容
本发明的目的是提供一种雾霾颗粒物探测芯片及其制造方法，利用一种新型的探测芯片有效探测大气中的雾霾颗粒物。
为实现上述目的，本发明提供一种雾霾颗粒物探测芯片，应用于包括激光设备、雾霾颗粒物探测芯片和显示设备的大气颗粒物探测装置，所述激光设备用于发射激光，所述激光通过所述雾霾颗粒物探测芯片的表面；所述雾霾颗粒物探测芯片用于接收被散射的激光，产生电信号并传输电信号到所述显示设备；所述显示设备用于处理所述电信号并显示雾霾颗粒物的探测结果；
所述雾霾颗粒物探测芯片包括层状结构，从最底层到最上层依次为：玻璃基底、CdSe薄膜、贵金属纳米点阵列、银对梳妆电极***、氧化铝薄膜和增透膜，其中，
所述增透膜的中心波长与所述激光的波长相同，用于通过所述激光；
所述氧化铝薄膜用于通过所述激光，并隔离空气避免氧气对内层薄膜和纳米点阵列的损伤；
所述银对梳妆电极***包括相互平行但不交叉的银梳妆薄膜电极和银梳妆薄膜对电极，用于在激光作用下产生电信号；
所述贵金属纳米点阵列用于通过等离子体共振作用对光信号进行放大，并传输放大后的激光信号至所述CdSe薄膜；
所述CdSe薄膜用于在放大后的激光信号的作用下产生电信号，传输所述电信号至所述显示设备；
所述玻璃基底用于承载上层结构并绝缘电信号。
优选地，所述增透膜的中心波长为605nm。
优选地，所述贵金属纳米点阵列为金或银纳米点阵列。
优选地，所述CdSe薄膜的厚度为150-200纳米
本发明的另一方面还提供一种雾霾颗粒物探测芯片的制造方法，包括：
采用激光分子束外延技术在玻璃基底上制备CdSe薄膜；
在所述CdSe薄膜的表面设置贵金属纳米点阵列；
采用掩膜板真空蒸法在所述贵金属纳米点阵列表面制备银对梳状电极***；
采用原子层沉积技术在银对梳状电极***的表面制备氧化铝薄膜；
在所述氧化铝薄膜上制备增透膜。
优选地，所述贵金属纳米点阵列为金或银纳米点阵列。
优选地，所述CdSe薄膜的厚度为150-200纳米。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
提供一种新型的雾霾颗粒物探测芯片，通过银对梳妆电极***可以实现在保证较小的感光区域宽度的同时尽量增大感光面积，较小的感光区域宽度可以降低芯片的响应时间，并通过贵金属纳米点阵列放大光信号，从而提高芯片的检测灵敏度。
附图说明
图1为现有技术中的大气颗粒物探测装置的结构示意图；
图2示出本发明提供的雾霾颗粒物探测芯片的结构示意图；
图3示出本发明提供的雾霾颗粒物探测芯片中的银对梳妆电极***的结构示意图；
图4示出本发明提供的雾霾颗粒物探测芯片的制造方法的框图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
当激光束通过光探测芯片表面，根据光散射的原理，空气中的颗粒物和激光作用产生散射光，散射光强度和颗粒物的浓度成正比。根据薄膜所探测散射光强度就可以得出空气中颗粒物的浓度。
本发明中提供一种雾霾颗粒物探测芯片，应用于图1所示的大气颗粒物探测装置。如图1所示，该大气颗粒物探测装置10包括激光设备11、雾霾颗粒物探测芯片12和显示设备的大气颗粒物探测装置13。
其中，激光设备11用于发射激光，所述激光通过所述雾霾颗粒物探测芯片的表面。雾霾颗粒物探测芯片12用于接收被散射的激光，产生电信号并传输电信号到所述显示设备13。显示设备13用于处理所述电信号并显示雾霾颗粒物的探测结果。
图2示出本发明提供的雾霾颗粒物探测芯片的结构。如图2所示，该雾霾颗粒物探测芯片包括层状结构，从最底层到最上层依次为：玻璃基底21、CdSe薄膜22、贵金属纳米点阵列23、银对梳妆电极***24、氧化铝薄膜25和增透膜26。
在图2所示的结构中，所述增透膜26的中心波长与所述激光的波长相同，用于通过所述激光。本发明中，激光的波长为605nm。
所述氧化铝薄膜25用于通过所述激光，并隔离空气避免氧气对内层薄膜和纳米点阵列的损伤，从而保证芯片的稳定性。
所述银对梳妆电极***24包括相互平行但不交叉的银梳妆薄膜电极和银梳妆薄膜对电极，用于收集所述CdSe薄膜产生的电信号，将电信号传输至所述显示设备。激光通过银对梳妆电极***24进入下层结构并到达CdSe薄膜，CdSe薄膜产生的载流子(电信号)被银对梳妆电极***24收集并传输至显示设备。由于银对梳妆电极***24的电极比较均匀地设置在CdSe薄膜上，从而使得银对梳妆电极***24的电极与CdSe薄膜上载流子的距离短，减少载流子在行进过程中的损耗，同时电极之间的间距均匀且小，可以减少载流子在两电极之间的移动距离，从而达到最大限度的减小探测芯片的响应时间的作用。
图3示出该银对梳妆电极***24的示意图。如图3所示，银对梳妆电极***26包括的银梳妆薄膜电极241和银梳妆薄膜对电极242具有相同的梳妆结构，但是相互平行且不交叉。这种结构可以实现在保证较小的感光区域宽度的同时尽量增大感光面积，较小的感光区域宽度可以降低芯片的响应时间，较大的感光面积有利于提高检测灵敏度。
所述贵金属纳米点阵列23用于通过等离子体共振作用对光信号进行放大，并传输放大后的激光信号至所述CdSe薄膜22。贵金属纳米点阵列为金或银纳米点阵列，还可以为金银混合的纳米点阵列。
所述CdSe薄膜22用于在放大后的激光信号的作用下产生电信号，传输所述电信号至所述银对梳妆电极***。优选的，所述CdSe薄膜的厚度为150-200纳米。
所述玻璃基底21用于承载上层结构并绝缘电信号，避免电信号向所述显示设备之外传输。
采用本发明提供的雾霾颗粒物探测芯片，通过银对梳妆电极***可以实现在保证较小的感光区域宽度的同时尽量增大感光面积，较小的感光区域宽度可以降低芯片的响应时间，并通过贵金属纳米点阵列放大光信号，从而提高芯片的检测灵敏度。
图4提供一种雾霾颗粒物探测芯片的制造方法。如图4所示，该方法包括：
步骤401，采用激光分子束外延技术在玻璃基底上制备CdSe薄膜。
需要说明，根据空气中所需检测颗粒及拟使用光源的需要，可以灵活选择感光材料。本发明中选择禁带宽度在2.2eV-3.0eV的CdSe半导体材料。
步骤402，在所述CdSe薄膜的表面设置贵金属纳米点阵列。
如上所述，贵金属纳米点阵列可以为金或银纳米点阵列，还可以为金银混合的纳米点阵列。
可以采用任意方式在所述CdSe薄膜的表面设置贵金属纳米点阵列，本文对该具体设置技术不做限制。例如，可以采用磁控溅射技术在CdSe薄膜的表面设置贵金属纳米点阵列，其中，还可以采用掩膜板技术设置贵金属纳米点阵列的图案。
步骤403，采用掩膜板真空蒸法在所述贵金属纳米点阵列表面制备银对梳状电极***。
步骤404，采用原子层沉积技术在银对梳状电极***的表面制备氧化铝薄膜。在保证高灵敏度的前提下，在薄膜芯片表面制备氧化铝保护膜来保证薄膜的稳定性。
步骤405，在氧化铝薄膜上制备增透膜。
增透膜的中心波长与所述激光的波长相同，用于通过所述激光，例如该增透膜的中心波长为605nm。
采用本发明提供的雾霾颗粒物探测芯片的制造方法，通过银对梳妆电极***可以实现在保证较小的感光区域宽度的同时尽量增大感光面积，较小的感光区域宽度可以降低芯片的响应时间，并通过贵金属纳米点阵列放大光信号，从而提高芯片的检测灵敏度。
最后需要指出的是：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；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，而应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种雾霾颗粒物探测芯片，应用于包括激光设备、雾霾颗粒物探测芯片和显示设备的大气颗粒物探测装置，所述激光设备用于发射激光，所述激光通过所述雾霾颗粒物探测芯片的表面；所述雾霾颗粒物探测芯片用于接收被散射的激光，产生电信号并传输电信号到所述显示设备；所述显示设备用于处理所述电信号并显示雾霾颗粒物的探测结果；其特征在于，
所述雾霾颗粒物探测芯片包括层状结构，从最底层到最上层依次为：玻璃基底、CdSe薄膜、贵金属纳米点阵列、银对梳妆电极***、氧化铝薄膜和增透膜，其中，
所述增透膜的中心波长与所述激光的波长相同，用于减少被散射的激光在通过所述雾霾颗粒物探测芯片的表面时的反射强度，最大限度通过所述激光；
所述氧化铝薄膜用于通过所述激光，并隔离空气避免氧气对内层薄膜和纳米点阵列的损伤；
所述银对梳妆电极***包括相互平行但不交叉的银梳妆薄膜电极和银梳妆薄膜对电极，用于收集所述CdSe薄膜产生的电信号，将电信号传输至所述显示设备；
所述贵金属纳米点阵列用于通过表面等离子体共振作用对激光信号进行放大，并传输放大后的激光信号至所述CdSe薄膜；
所述CdSe薄膜用于在放大后的激光信号的作用下产生电信号；
所述玻璃基底用于承载上层结构并对所述电信号绝缘。
2.如权利要求1所述的雾霾颗粒物探测芯片，其特征在于，所述增透膜的中心波长为605nm。
3.如权利要求1所述的雾霾颗粒物探测芯片，其特征在于，所述贵金属纳米点阵列为金或银纳米点阵列。
4.如权利要求1所述的雾霾颗粒物探测芯片，其特征在于，所述CdSe薄膜的厚度为150-200纳米。
5.一种权利要求1所述的雾霾颗粒物探测芯片的制造方法，其特征在于，包括：
采用激光分子束外延技术在玻璃基底上制备CdSe薄膜；
在所述CdSe薄膜的表面设置贵金属纳米点阵列；
采用掩膜板真空蒸法在所述贵金属纳米点阵列表面制备银对梳状电极***；
采用原子层沉积技术在银对梳状电极***的表面制备氧化铝薄膜；
在所述氧化铝薄膜上制备增透膜。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述贵金属纳米点阵列为金或银纳米点阵列。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述CdSe薄膜的厚度为150-200纳米。
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