CN112114007A - 三电极式气体传感器及其制备方法和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三电极式气体传感器，包括第一电极、包裹在所述第一电极表面的气敏层以及分别位于气敏层的两个相对表面上的叉指电极、加热电极，气敏层上设置有用于引出第一电极的外接口，叉指电极包括第二电极、与第二电极相配合的第三电极。本发明还公开了三电极式气体传感器的制备方法和检测方法。本发明通过对金属基板进行微弧氧化直接制成气敏层和第一电极，再通过丝网印刷的方法制备第二电极和第三电极，极大的简化了传感器的结构的加工工艺，且具有良好的可靠性，同时将加热电极集成在气敏层下表面，提供传感器所需的工作温度，利用三个信号电极之间在置于气体环境前后的信号变化，实现多种气体检测，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及气体识别技术领域，尤其涉及一种三电极式气体传感器及其制备方法和检测方法。
背景技术
随着气体传感领域的不断发展，人们对气体传感器智能化和多功能化表现出更大的需求和更高的要求。如何扩展气体传感器的检测范围，实现单一传感器的多种气体检测一直是研究的热点。目前常用的方法是采用传感器芯片阵列技术，即将多个气体传感器芯片集成到一个传感器上，实现多种气体的检测。这种方法使传感器结构非常复杂，极大的增加了生产成本，而且制作起来也非常麻烦。
资料表明，一种气敏材料一般能对多种气体表现出不同程度的响应，包括ZnO、SnO2、TiO2等气敏材料及其复合材料，而一般气体传感器采用一对电极，检测一种信号，实现对单一气体的检测。这种方法极大的限制了气敏材料的检测范围，同时还易受其他气体的影响，造成检测结果不准确。所以，为了实现单一气敏材料具有识别多种气体的能力，需要借助三电极结构，但这也导致传感器需要更加复杂的结构设计。
所以，针对以上技术问题，有必要提出一种新的气体传感器及其制备方法和检测方法。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种三电极式气体传感器及其制备方法和检测方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种三电极式气体传感器，包括第一电极、包裹在所述第一电极表面的气敏层以及分别位于所述气敏层的两个相对表面上的叉指电极、加热电极，所述气敏层上设置有用于引出所述第一电极的外接口，所述叉指电极包括第二电极、与所述第二电极相配合的第三电极。
作为本发明的进一步改进，所述气敏层通过在金属基板表面进行微弧氧化形成，所述金属基板未氧化的部分形成所述第一电极。
作为本发明的进一步改进，所述叉指电极和加热电极均通过丝网印刷分别形成在所述气敏层的上表面、下表面。
作为本发明的进一步改进，所述外接口位于所述气敏层的下表面。
一种三电极式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供一金属基板，对金属基板进行预处理；
(2)对金属基板进行加工，分别形成第一电极和气敏层；
(3)在气敏层的两个相对表面分别形成叉指电极、加热电极；
(4)在气敏层上形成外接口。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)中，加工的方式包括微弧氧化加工、阳极氧化加工、等离子喷涂加工或磁控溅射加工。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，在气敏层的上表面、下表面均进行丝网印刷分别形成叉指电极、加热电极。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，用砂纸在气敏层的下表面打磨形成外接口，使第一电极裸露。
一种三电极式气体传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将传感器置于目标气体环境中；
(2)实时采集第一电极与第二电极、第一电极与第三电极、第二电极与第三电极之间的电信号值，制成响应数据表；
(3)将制成的响应数据表与标准数据表进行对比，判断出气体的种类。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)中，电信号包括电阻、电流、电压、电容、电感中的至少一个。
本发明的有益效果是：
本发明的三电极式气体传感器结构简单紧凑，避免结构的复杂性，增强了结构的稳定性和器件的传感性能，通过对金属基板进行微弧氧化直接制成气敏层和第一电极，再通过丝网印刷的方法制备第二电极和第三电极，与一般的气体传感器相比，只需加工两个电极，即可构成三电极结构，这种三电极结构制备方法极大的简化了传感器的结构的加工工艺，且具有良好的可靠性，同时将加热电极集成在气敏层下表面，提供传感器所需的工作温度，利用三个信号电极之间在置于气体环境前后的信号变化，实现多种气体检测，仅依靠一个传感器芯片，在满足单一气敏材料实现多种气体检测的同时，简化传感器结构和工艺方法，降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的三电极式气体传感器的剖视图；
图2为本发明的优选实施例的三电极式气体传感器的仰视立体结构示意图；
图3为本发明的优选实施例的三电极式气体传感器的俯视图；
图4为本发明的优选实施例的微弧氧化加工平台示意图；
图5为本发明的优选实施例的三电极式气体传感器的制备流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，一种三电极式气体传感器，包括第一电极10、包裹在第一电极10表面的气敏层11以及分别位于气敏层11的两个相对表面上的叉指电极12、加热电极13，气敏层11上设置有用于引出第一电极10的外接口14，叉指电极12包括第二电极121、与第二电极121相配合的第三电极122，第一电极10、第二电极121、第三电极122构成三电极结构，减少了信号电极的加工步骤，优化了传感器的结构。
本发明优选气敏层11通过在金属基板表面进行微弧氧化形成，金属基板未氧化的部分形成第一电极10。
本发明优选叉指电极12和加热电极13均通过丝网印刷分别形成在气敏层11的上表面、下表面。优选第二电极121、第三电极122均呈梳齿状。为了能够提高传感器的使用性能，同时便于加工制造，提高加工精度，优选第二电极梳齿部分1211与第三电极梳齿部分1221之间的间隙为100-800μm，第二电极梳齿部分1211的长为6-12mm、宽为100-800μm，第三电极梳齿部分1221的长为6-12mm、宽为100-800μm，同时第二电极梳齿部分1211的长、宽与第三电极梳齿部分1221的长、宽具有差异。进一步优选第二电极梳齿部分1211与第三电极梳齿部分1221之间的间隙为200μm，第二电极梳齿部分1211的长为11mm、宽为700μm，第三电极梳齿部分1221的长为7mm、宽为200μm。
加热电极13能够给传感器提供需要的工作温度，根据传感材料的不同，所需的工作温度也有所不同，一般在150-400℃。本发明优选加热电极13的宽度为100-400μm。进一步优选加热电极13的宽度为200μm。
本发明优选外接口14位于气敏层11的下表面。
一种三电极式气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一金属基板，对金属基板进行预处理；
(2)对金属基板进行加工，分别形成第一电极10和气敏层11；
(3)在气敏层11的两个相对表面分别形成叉指电极12、加热电极13；
(4)在气敏层11上形成外接口14。
优选的，步骤(1)中，金属基板的材质为钛。可以理解的是，金属基板并不局限于钛，也可以为铝、镁、锆或其合金。
优选的，步骤(2)中，加工的方式为微弧氧化加工。可以理解的是，并不局限于微弧氧化加工，也可以为阳极氧化加工、等离子喷涂加工或磁控溅射加工。
优选的，步骤(3)中，在气敏层11的上表面、下表面均进行丝网印刷分别形成叉指电极12、加热电极13。
在气敏层11的上表面、下表面均进行丝网印刷分别形成叉指电极12、加热电极13包括使用刮板将金属浆料透过叉指电极丝网孔印刷在气敏层11的上表面，使用刮板将金属浆料透过叉指电极丝网孔印刷在气敏层11的下表面，将上下表面印刷好的金属基板放到马弗炉或者管式炉中，在空气气氛、惰性气氛或者还原气氛下烧结得到叉指电极12和加热电极13。
优选印刷在气敏层11的上表面的金属浆料为Au、Ag、Pt等导电性能好的材料。优选印刷在气敏层11的下表面的金属浆料为铁、铬、镍等高电阻材料。
优选的，步骤(4)中，用砂纸在气敏层11的下表面打磨形成外接口14，使第一电极10裸露。
图4为本发明的微弧氧化加工平台示意图，包括控制器200、电源210、循环冷却***220、不锈钢槽230、搅拌器240、钛基板250、电解液260，电解液260放置在不锈钢槽230中，并由搅拌器240搅拌均匀，通过循环冷却***220，使电解液260温度保持在10-40℃。由电源210提供电能，在控制器200上设置加工参数，钛基板250与电源210正极相连，不锈钢槽230与电源210负极相连。
如图5所示，为了更进一步的说明本发明的三电极式气体传感器的制备方法，作为优选方案，包括以下步骤：
S100，钛基板250预处理：将钛基板250进行切割、打磨、抛光、清洗。
S110，配置电解液260：按照钛基板250的种类和加工需求，配置电解液260。
本实施例中，电解液260优选为钙盐和磷盐的混合体系，其中磷酸二氢钠7.2g/L，乙酸钙18g/L，保证制备的二氧化钛气敏材料具有大的比表面积和良好的气敏特性。
S120，参数设置：根据钛基板250的种类和加工需求，在控制器200设置加工参数，包括输出电压、输出电流、氧化时间。
本实施例中，输出电压采用正负脉冲信号，正向电压500-750V，负向电压20-150V，正向脉宽500-5000ms，脉间200-1000ms，负向脉宽500-5000ms，输出电流采用恒流输出，大小在2-6A，氧化时间10-20min。
S130，气敏层11加工：将钛基板250与电源210正极相连，钛基板250浸入在电解液260中，电源210的负极连在不锈钢槽230上，开启冷却循环***220和搅拌器240后，开启电源210，进行微弧氧化加工，钛基板250表面的金属材料氧化为金属氧化物半导体材料形成气敏层11，钛基板250内部未氧化的部分形成第一电极10。
S140，微弧氧化加工结束：取出加工完成后的钛基板250，用去离子水清洗，干燥后备用。
S150，制作丝网版：利用Color DRAW软件画出叉指电极和加热电极并得到数字文件，将得到的数字文件制作阳图型菲林片，将菲林片紧密贴合在涂有感光胶的丝网版正面并在晒版机中进行180s的UV光照射进行晒版，然后用水枪洗掉未被照射的感光胶部分，使网版露出网孔。
S160，印刷叉指电极12：使用刮板将金属浆料透过叉指电极丝网孔印刷在气敏层11的上表面。
S170，印刷加热电极13：使用刮板将金属浆料透过蛇形加热电极丝网孔印刷在气敏层11的下表面。
S180，烧结：将钛基板250放到马弗炉或者管式炉中，在空气气氛、惰性气氛或者还原气氛下烧结得到叉指电极12和加热电极13。
S190，制作外接口14：选用200目、600目、800目的砂纸在气敏层11下表面一个圆形区域内依次打磨，将圆形区域的氧化物去除，形成外接口14，使第一电极10外露。
S200，加工结束：取出已经加工完毕的三电极式气体传感器，用去离子水洗涤，干燥后备用。
本实施例通过对金属基板进行微弧氧化直接制成气敏层和第一电极，实现在制作气敏材料的同时自然形成第一电极这个信号电极，再通过丝网印刷的方法制备第二电极和第三电极，只需加工第二电极和第三电极这两个电极，即可构成三电极结构，避免了结构的复杂性，这种三电极结构制备方法极大的简化了传感器的结构的加工工艺，且具有良好的可靠性。
一种三电极式气体传感器的检测方法，包括以下步骤：
(1)将传感器置于目标气体环境中；
(2)实时采集第一电极10与第二电极121、第一电极10与第三电极122、第二电极121与第三电极122之间的电信号值，制成响应数据表；
(3)将制成的响应数据表与标准数据表进行对比，判断出气体的种类。
优选的，步骤(2)中，电信号包括电阻、电流、电压、电容、电感中的至少一个。采集的电信号个数根据实际情况确定，标准是能准确判断出气体种类时即可结束。
优选的，步骤(3)中的标准数据表，是通过大量实验预先确定好的。
为了更进一步的说明本发明的三电极式气体传感器的检测方法，作为优选方案，包括以下步骤：
(1)将传感器置于目标气体环境中；
(2)将万用表调制电阻档，测量第一电极10与第二电极121之间的电阻值、第一电极10与第三电极122之间的电阻值、第二电极121与第三电极122之间的电阻值；
(3)将万用表调制电流档，利用信号发生器施加5V、1kHz的交流电压，测量第一电极10与第二电极121之间的电流值、第一电极10与第三电极122之间的电流值、第二电极121与第三电极122之间的电流值；
(4)将万用表调制电压档，在电路中串联一电阻，利用信号发生器施加5V、1kHz的交流电压，测量第一电极10与第二电极121之间的电压值、第一电极10与第三电极122之间的电压值、第二电极121与第三电极122之间的电压值；
(5)将得到的三个电阻值、三个电流值、三个电压值制成响应数据表，与标准数据表进行对比，判断气体的种类和浓度。
本实施例中，将万用表调制电压档，在电路中串联的电阻是为了与敏感材料的膜层电阻进行分压，便于采集电压信号，串联的电阻值取第一电极10与第二电极121之间的电阻值、第一电极10与第三电极122之间的电阻值、第二电极121与第三电极122之间的电阻值这三个电阻值的平均电阻值。
本实施例中的标准数据表通过对制备的气敏材料预先进行大量的实验确定。以100ppm的乙醇为例，利用制备的二氧化钛气敏材料放入到100ppm的乙醇气体环境中，分别测量三个电极之间的电阻值、电流值、电压值，则该九个参数就表征了100ppm的乙醇气体环境，这些参数存储在标准数据表中。当该传感器用于实际检测时，如果出现与该九个参数相同的值，即可判定为检测的气体为100ppm的乙醇。
本实施例通过检测置于目标气体环境的第一电极与第二电极之间、第一电极与第三电极之间、第二电极与第三电极之间的电阻值、电流值和电压值，来判断出气体的种类和浓度，仅依靠一个传感器芯片，就可实现多种气体的检测，极大的提升了气体传感器的应用范围，与阵列式气体传感器相比，在实现相同功能的同时，结构和制作成本都得到了优化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种三电极式气体传感器，其特征在于，包括第一电极、包裹在所述第一电极表面的气敏层以及分别位于所述气敏层的两个相对表面上的叉指电极、加热电极，所述气敏层上设置有用于引出所述第一电极的外接口，所述叉指电极包括第二电极、与所述第二电极相配合的第三电极。
2.根据权利要求1所述的三电极式气体传感器，其特征在于，所述气敏层通过在金属基板表面进行微弧氧化形成，所述金属基板未氧化的部分形成所述第一电极。
3.根据权利要求1所述的三电极式气体传感器，其特征在于，所述叉指电极和加热电极均通过丝网印刷分别形成在所述气敏层的上表面、下表面。
4.根据权利要求1所述的三电极式气体传感器，其特征在于，所述外接口位于所述气敏层的下表面。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的三电极式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供一金属基板，对金属基板进行预处理；
(2)对金属基板进行加工，分别形成第一电极和气敏层；
(3)在气敏层的两个相对表面分别形成叉指电极、加热电极；
(4)在气敏层上形成外接口。
6.根据权利要求5所述的三电极式气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加工的方式包括微弧氧化加工、阳极氧化加工、等离子喷涂加工或磁控溅射加工。
7.根据权利要求5所述的三电极式气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在气敏层的上表面、下表面均进行丝网印刷分别形成叉指电极、加热电极。
8.根据权利要求5所述的三电极式气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，用砂纸在气敏层的下表面打磨形成外接口，使第一电极裸露。
9.一种如权利要求1-4中任意一项所述的三电极式气体传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将传感器置于目标气体环境中；
(2)实时采集第一电极与第二电极、第一电极与第三电极、第二电极与第三电极之间的电信号值，制成响应数据表；
(3)将制成的响应数据表与标准数据表进行对比，判断出气体的种类。
10.根据权利要求9所述的三电极式气体传感器的检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，电信号包括电阻、电流、电压、电容、电感中的至少一个。
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