CN107677707A - 一种基于ltcc的基片集成波导式无线无源气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体传感技术领域，具体是一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器及其制备方法。解决了现有气体传感器有线连接，安装不方便，使用周期短等问题，包括上表面金属层、下表面金属层以及设置在中间的LTCC氧化铝陶瓷片，上表面金属层、下表面金属层和LTCC氧化铝陶瓷片组成基片，基片周侧设有一圈基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔，以此构成基于基片集成波导的结构，基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔内填充有银浆料，基片中部设有气体敏感结构，上表面金属层表面设有缝隙天线。本发明充分利用了基片集成波导谐振器具有高的品质因数，低损耗等优点，可以有效的增大无线测试的距离。

Description

一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器及其制 备方法

技术领域

本发明属于气体传感技术领域，具体是一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器及其制备方法。

背景技术

在科学技术和石油化学工业飞快发展的驱动下，易燃、易爆和有毒气体得到了广泛的应用。这些气体在运输、存储和使用的过程当中，一旦发生泄露就会引起人员中毒，造成大气污染、火灾乃至***，对人们的生命和资产安全有着很大的威胁。例如：在一些矿洞矿井的开采过程中，会产生大量的H₂S、CO等易燃易爆的气体，对作业人员的人身安全构成了威胁。在一些化工厂运输与存储易燃易挥发的有毒有害化工原料时，经常会发生一些泄漏事故如果不能及时的发现会造成很大的危险，直接影响到人们的健康或是造成环境的污染。除此之外，目前我国很多城市的雾霾都非常严重，对人体的呼吸道造成很大的伤害，如果长期吸入甚至会导致死亡，因而空气污染问题已经成为人民高度关注且急需解决的问题。因此，对这些有害气体的检测就显得非常的有意义，研究相应的气敏检测传感器也变得越来越有意义。

现有的气体传感器，普遍采用有线连接的方式，这些气体传感器具有较高的检测灵敏度、较短的检测响应时间。但是，有线连接的方式度传感器的安装造成了很大的不方便，功耗较大严重影响了传感器的使用周期。而无线无源气体传感器的出现，可以很好的解决这些功耗以及安装的问题，所以，无线无源式气体传感器的设计与制备具有重大的研究意义。此外，基于基片集成结构具有高品质因数、低损耗的优点，可实现更远距离的无线测试。

发明内容

本发明为了解决现有气体传感器有线连接，安装不方便，使用周期短等问题，提供一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器及其制备方法。

本发明采取以下技术方案：一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器，包括上表面金属层、下表面金属层以及设置在中间的LTCC氧化铝陶瓷片，上表面金属层、下表面金属层和LTCC氧化铝陶瓷片组成基片，基片周侧设有一圈基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔，以此构成基于基片集成波导的结构，基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔内填充有银浆料，基片中部设有气体敏感结构，上表面金属层表面设有缝隙天线。

进一步的，气体敏感结构包括在LTCC氧化铝陶瓷片上设置的圆柱孔，圆柱孔内表面涂有一层银浆料，银浆料外侧涂有氧化石墨烯涂层。

进一步的，LTCC氧化铝陶瓷片设有6层。

一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器的制备方法，具体步骤如下：

1）首先，准备好6片LTCC生瓷带，第一层到第六层的编号为9-14，取9-11三层LTCC生瓷带在70℃、21MPa的参数下进行20分钟的层压，之后将层压好的9-11层的生瓷带在中部位置切掉25个圆柱体。

2）将切割完圆柱的9-11层生瓷带与12-14层生瓷带继续进行层压，层压参数为70℃、21MPa的参数下进行20分钟的层压。

3）在层压完的9-14层生瓷带的周侧一圈的位置切除掉一系列的小圆柱通孔，对切除的小圆柱进行银浆料的填充，对第一步中切除的25个小圆柱的内壁进行银浆料的刷涂。

4) 将第三步中印刷完银浆料的生瓷带置于高温炉中进行850℃的烧结，得到9-14层的熟瓷。

5）采用丝网印刷的工艺，在9-14层熟瓷的上表面进行银浆料的印刷，在高温炉中进行850℃的烧结，得到基片集成波导的上金属面以及缝隙天线结构；在9-14层熟瓷的下表面进行银浆料的印刷，烧结得到基片集成波导的下金属面。

6）氧化石墨烯的制备，取100mL浓硫酸和10mL磷酸依次加入到三颈瓶中；将混合酸置于冰水浴中，再加入0.8g鳞片石墨和5g 高锰酸钾，搅拌45min；将混合物置于45~55℃恒温水箱中搅拌35min后，置于60℃恒温水箱中反应16h，混合物呈墨绿色；滴加50mL5%的双氧水，充分搅拌至混合物呈现金黄色；将产物移至烧杯中，常温静置冷却，用去离子水洗涤多次直至中性；将洗涤后的产物置于干燥箱中60℃烘干，所得产物即是氧化石墨烯。

7）将第六步中制备出的氧化石墨烯以5%的质量比与氧化锌进行掺杂，利用玛瑙研钵研磨均匀，加入去离子水，调制成浆料，作为气敏材料。

8）取第七步中制备的气敏材料，均匀地旋涂于第一步中切除出的25个圆柱孔的侧壁及下表面，制备出最终的无线无源气体传感器。

在实际的测试过程中，传感器的中间25个圆柱孔的侧壁及下表面的气敏材料对乙醇气体进行吸附，改变圆柱孔部分的有效介电常数，根据基片集成波导的介质微扰理论，传感器的谐振频率发生改变，不同浓度的气体将引起传感器的谐振频率产生不同程度的偏移，以此实现对气体浓度的检测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明中，提出了将缝隙天线集成于基片集成波导结构上面，实现无线无源的电磁波耦合，在不改变基片集成波导电磁场分布的条件下，在结构的中心处制备出可用于承载气敏材料的圆柱孔。

2）本发明中利用制备出的氧化石墨烯与氧化锌进行掺杂制备出的气敏材料，有效增大了对气体的吸附面积，与氧化锌作为敏感材料制备的气体传感器相比，具有更高的测试灵敏度。

3）本发明对25个圆柱侧壁金属面上与下底面上的气敏材料的旋涂，进一步增加了气体吸附面积，有效保障了气体传感器的测试灵敏度。除此之外，基于上述基片集成波导谐振器的气体传感器，可以方便的更改旋涂于圆柱侧壁金属面的导电型气敏材料，制备出对不同气体敏感的气体传感器。

4）本发明所述传感器的体积尺寸较小，基底材料厚度的较低，更利于传感器在复杂环境下的安装，同时也更便于携带。此外，专利所述气体传感器，充分利用了基片集成波导谐振器具有高的品质因数，低损耗等优点，可以有效的增大无线测试的距离。

附图说明

图1为本发明的传感器结构的俯视图；

图2为本发明的传感器结构仰视图；

图3为图1中A-A的解剖图；

图4为图1中2的俯视图；

图5为图1中2的B-B的解剖图；

图6为传感器加工过程示意图；

图7为本发明的微波散射测试原理图；

图中：1—缝隙天线，2—气体敏感结构，3—基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔，4—上表面金属层，5—下表面金属层，6—气体敏感结构所依附的圆柱体的金属内壁，7—氧化石墨烯涂层，9～14—分别表示LTCC陶瓷的第一层至第六层，15—无线无源气体传感器，16—询问天线，17—扫频发射信号，18—回波反射信号，19—气体测试平台及无线无源气体传感器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

如图1、2、3所示，一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器，包括上表面金属层4、下表面金属层5以及设置在中间的LTCC氧化铝陶瓷片，上表面金属层4、下表面金属层5和LTCC氧化铝陶瓷片组成基片，基片周侧设有一圈基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔3，基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔3内填充有银浆料，基片中部设有气体敏感结构2，上表面金属层4表面设有缝隙天线1。

如图4、5所示，所述的气体敏感结构2包括在LTCC氧化铝陶瓷片上设置的圆柱孔6，圆柱孔6内表面涂有一层银浆料，银浆料外侧涂有氧化石墨烯涂层7。

所述的LTCC氧化铝陶瓷片设有6层。

如图6所示，一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器的制备方法，具体步骤如下：

1）首先，准备好6片LTCC生瓷带，第一层到第六层的编号为9-14，取9-11三层LTCC生瓷带在70℃、21MPa的参数下进行20分钟的层压，之后将层压好的9-11层的生瓷带在中部位置切掉25个圆柱体。

2）将切割完圆柱的9-11层生瓷带与12-14层生瓷带继续进行层压，层压参数为70℃、21MPa的参数下进行20分钟的层压。

3）在层压完的9-14层生瓷带的周侧一圈的位置切除掉一系列的小圆柱通孔，对切除的小圆柱进行银浆料的填充，对第一步中切除的25个小圆柱的内壁进行银浆料的刷涂。

4) 将第三步中印刷完银浆料的生瓷带置于高温炉中进行850℃的烧结，得到9-14层的熟瓷。

5）采用丝网印刷的工艺，在9-14层熟瓷的上表面进行银浆料的印刷，在高温炉中进行850℃的烧结，得到基片集成波导的上金属面以及缝隙天线结构；在9-14层熟瓷的下表面进行银浆料的印刷，烧结得到基片集成波导的下金属面。

6）氧化石墨烯的制备，取100mL浓硫酸和10mL磷酸依次加入到三颈瓶中；将混合酸置于冰水浴中，再加入0.8g鳞片石墨和5g 高锰酸钾，搅拌45min；将混合物置于45~55℃恒温水箱中搅拌35min后，置于60℃恒温水箱中反应16h，混合物呈墨绿色；滴加50mL5%的双氧水，充分搅拌至混合物呈现金黄色；将产物移至烧杯中，常温静置冷却，用去离子水洗涤多次直至中性；将洗涤后的产物置于干燥箱中60℃烘干，所得产物即是氧化石墨烯。

7）将第六步中制备出的氧化石墨烯以5%的质量比与氧化锌进行掺杂，利用玛瑙研钵研磨均匀，加入适量的去离子水，调制成浆料，作为气敏材料。

8）取第七步中制备的气敏材料，均匀地旋涂于第一步中切除出的25个圆柱孔的侧壁及下表面，制备出最终的无线无源气体传感器。

如图7所示，基于微波散射的基片集成式无线无源气体传感器工作方式，询问天线16（共面波导馈电的超宽带天线、开路波导天线等）发出包含传感器谐振频率的在内的扫频信号17，被基片集成波导上表面金属层4的缝隙天线1所接收，缝隙天线将信号耦合到基片集成波导中，与波导谐振频率相近的限号在基片集成波导形成驻波，而其他部分的频率信号18被反射回去，被询问天线接收，通过分析询问天线的回波反射信号的到基片集成波导的谐振频率。在气体传感器的工作工程中，旋涂了氧化石墨烯的气体敏感结构2在吸收气体之后，结构内壁的电阻率发生变化，根据基片集成波导的微扰原理，基片集成波导的谐振频率放生变化，故利用网络分析仪对询问天线的接收到的基片集成波导的谐振频率的分析，可以得到检测气体的浓度变化情况。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,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 (4)

1.一种基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器，其特征在于：包括上表面金属层（4）、下表面金属层（5）以及设置在中间的LTCC氧化铝陶瓷片，上表面金属层（4）、下表面金属层（5）和LTCC氧化铝陶瓷片组成基片，基片周侧设有一圈基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔（3），基片集成波导的侧壁金属圆柱通孔（3）内填充有银浆料，基片中部设有气体敏感结构（2），上表面金属层（4）表面设有缝隙天线（1）。

2.根据权利要求1所述的基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器，其特征在于：所述的气体敏感结构（2）包括在LTCC氧化铝陶瓷片上设置的圆柱孔（6），圆柱孔（6）内表面涂有一层银浆料，银浆料外侧涂有氧化石墨烯与氧化锌混合的气敏材料涂层（7）。

3.根据权利要求2所述的基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器，其特征在于：所述的LTCC氧化铝陶瓷片设有6层。

4.一种如权利要求3所述的基于LTCC的基片集成波导式无线无源气体传感器的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

1）首先，准备好6片LTCC生瓷带，第一层到第六层的编号为9-14，取9-11三层LTCC生瓷带在70℃、21MPa的参数下进行20分钟的层压，之后将层压好的9-11层的生瓷带在中部位置切掉25个圆柱体；

2）将切割完圆柱的9-11层生瓷带与12-14层生瓷带继续进行层压，层压参数为70℃、21MPa的参数下进行20分钟的层压；

3）在层压完的9-14层生瓷带的周侧一圈的位置切除掉一系列的小圆柱通孔，对切除的小圆柱进行银浆料的填充，对第一步中切除的25个小圆柱的内壁进行银浆料的刷涂；

4) 将第三步中印刷完银浆料的生瓷带置于高温炉中进行850℃的烧结，得到9-14层的熟瓷；

5）采用丝网印刷的工艺，在9-14层熟瓷的上表面进行银浆料的印刷，在高温炉中进行850℃的烧结，得到基片集成波导的上金属面以及缝隙天线结构；在9-14层熟瓷的下表面进行银浆料的印刷，烧结得到基片集成波导的下金属面；

6）氧化石墨烯的制备，取100mL浓硫酸和10mL磷酸依次加入到三颈瓶中；将混合酸置于冰水浴中，再加入0.8g鳞片石墨和5g 高锰酸钾，搅拌45min；将混合物置于45~55℃恒温水箱中搅拌35min后，置于60℃恒温水箱中反应16h，混合物呈墨绿色；滴加50mL5%的双氧水，充分搅拌至混合物呈现金黄色；将产物移至烧杯中，常温静置冷却，用去离子水洗涤多次直至中性；将洗涤后的产物置于干燥箱中60℃烘干，所得产物即是氧化石墨烯；

7）将第六步中制备出的氧化石墨烯以5%的质量比与氧化锌进行掺杂，利用玛瑙研钵研磨均匀，加入去离子水，调制成浆料，作为气敏材料；

8）取第七步中制备的气敏材料，均匀地旋涂于第一步中切除出的25个圆柱孔的侧壁及下表面，制备出最终的无线无源气体传感器。