CN112268938B - 一种NOx气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于气体传感器领域的一种NOx气体传感器；其中自下而上依次包括：硅基底层、支撑层、加热电极、绝缘层、测试电极层；其中硅基底层上方的测试端一侧开有隔热腔；支撑层完全覆盖硅基底层；加热电极设置于支撑层和绝缘层之间，绝缘层用于隔离加热电极和测试电极层；所述测试电极层包括：平行排列的第二电极、第一电极和第三电极，其中第一电极、第二电极和第三电极均由电极端延伸至测试端。本发明中第一电极选用对NOx敏感材料制作，第二、第三电极采用贵金属制作，并构成三电极体系。测试时，第三电极作为参比电极，可调控第二电极极化电压；通入NOx气体后，可通过记录第一、第二电极间电流变化确定NOx含量。

Description

一种NOx气体传感器
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，具体为一种NOx气体传感器。
背景技术
目前广泛应用的NOx气体传感器，包括半导体式和固态电解质式两类。其中，半导体式NOx气体传感器精确性差，难以满足日益严苛的使用环境；固态电解质式NOx气体传感器，则需要将NOx完全分解为O2进行测试，传感器结构复杂，电极数量较多，操作缺乏便宜性。因此，调整传感器结构，改变传感器运行模式，是NOx气体传感器的主要技术难点。
考虑到电化学类气体传感器在检测精度方面的优势，开展相关结构设计，实现传感器检测定量化分析具有一定意义。此外，随着MEMS技术的研究与发展，增加了平面结构器件制作的可操作性，因此，制备以硅基为衬底的传感器在降低成本、增加集成性等方面具有一定优势。
针对这一问题，我们提出了一种选用选用对NOx敏感材料制作而成的气体传感器，结构简便，易于操作。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种NOx气体传感器，其特征在于，自下而上依次包括：硅基底层、支撑层、加热电极、绝缘层、测试电极层；其中硅基底层上方的测试端一侧开有隔热腔；支撑层完全覆盖硅基底层；加热电极设置于支撑层和绝缘层之间，绝缘层用于隔离加热电极和测试电极层；
所述测试电极层包括：平行排列的第二电极、第一电极和第三电极，其中第一电极、第二电极和第三电极均由电极端延伸至测试端。
所述隔热腔为截面呈V形或弧形的凹槽。
所述支撑层由支撑层绝缘区、中部以及支撑层支撑区组成，在测试端的支撑层绝缘区位于隔热腔的正上方。
所述加热电极包括：加热电极加热区、供电引线和供电电极，设置于测试端的加热电极加热区呈折线形，位于支撑层的支撑层绝缘区正上方。
所述支撑层为SiO2/Si3N4复合膜。
所述支撑层绝缘区为矩形。
所述加热电极的成分为Pt。
所述绝缘层为SiO2/Si3N4复合膜。
所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极的长度相同；所述第一电极到所述第二电极以及到第三电极的距离相等。
所述第一电极的材料成分为WO3 60-80％、Pt 20-40％；第二电极和第三电极成分为Pt。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的气体传感器基于MEMS工艺，与传统片式传感器相比，具有体积小、功耗低、成本低、易集成的优点。
2.本发明采用正面体硅腐蚀制备的空腔，可降低传感器热耗，增加传感器热量利用，且加工工艺稳定易控。
3.本发明中第一电极选用对NOx敏感材料制作，第二、第三电极采用贵金属制作，并构成三电极体系。测试过程中，第三电极作为参比电极，可调控第二电极极化电压。通入NOx气体后，可通过记录第一、第二电极间电流变化确定NOx含量，从而实现NOx检测的目的。本发明结构简便，易于操作。
附图说明
图1为本发明一种NOx气体传感器实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中支撑层的俯视图；
图3为本发明实施例中加热电极和支撑层的俯视图；
图4为本发明实施例中绝缘层的俯视图；
图5为本发明实施例中绝缘层和测试电极层的俯视图。
其中：
1-硅基底层，2-支撑层，3-加热电极，4-绝缘层，5-测试电极层，11-基底层空腔，21-支撑层绝缘区，22-支撑层支撑区，31-加热电极加热区，32-供电引线，33-供电电极，41-绝缘层通孔，51-第一电极，52-第二电极，53-第三电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1～图5所示的本发明实施例，结构自下而上依次包括：硅基底层1、支撑层2、加热电极3、绝缘层4、测试电极层5；其中硅基底层1为长条状矩形体，硅基底层1上方的测试端一侧开有隔热腔11；支撑层2完全覆盖硅基底层1；加热电极3设置于支撑层2和绝缘层4之间，绝缘层4用于隔离加热电极3和测试电极层5；
设置于绝缘层4上方的测试电极层5包括：平行排列的第二电极52、第一电极51和第三电极53，其中第一电极51、第二电极52和第三电极53均由电极端延伸至测试端；且第一电极51、第二电极52和第三电极53的长度基本相同，第一电极51与第二电极52的间距以及与第三电极53的间距基本相等。
在本实施例中，支撑层2由支撑层绝缘区21、中部以及支撑层支撑区22组成，在测试端的支撑层绝缘区21位于隔热腔11的正上方，支撑层绝缘区21俯视呈矩形；
在本实施例中，支撑层为SiO2/Si3N4复合膜；
在本实施例中，测试电极层5沉积于绝缘层4上；
在本实施例中，第一电极51材料成分为WO3 60-80％、Pt 20-40％，第二电极52和第三电极53成分均为Pt 100％，
在本实施例中，第一电极51、第二电极52和第三电极53非电极端部分(测试端和中部)的宽度小于电极端的宽度。
在本实施例中，绝缘层为SiO2/Si3N4复合膜；
如图1所示的隔热腔11为截面呈V形或弧形的凹槽；在本实施例中，隔热腔11通过正面体硅腐蚀制备实现。
如图3所示的加热电极3包括：加热电极加热区31、供电引线32和供电电极33，设置于测试端的加热电极加热区31呈折线形，位于支撑层绝缘区21正上方；加热电极加热区31通过供电引线32和供电电极33与外部电源相连，通过加热电极3加热后，测试区温度可达到200-700℃；加热电极3分布于支撑层2的上方，支撑层2除支撑作用外还起到绝缘作用，用于隔离硅基底层1和加热电极3，同时进一步稳定保证了下方空腔热量的稳定和利用；
在本实施例中，加热电极3的成分为Pt。
如图4和图5所示的绝缘层4，绝缘层4的电极端开有两个与供电电极33形状和位置相匹配的通孔41，用于引出加热层的供电电极33；绝缘层4用于在测试端隔离下方的加热电极3和上方的测试电极层5。
本发明的测试过程及原理：
步骤1、通过加热电极2对测试区域加热至200-500℃，使第一电极51、第二电极52和第三电极53所在的测试区域升温。
步骤2、对居中的第一电极51通电，第一电极51与第二电极52测试回路以及第二电极52、第三电极53测试回路之间同时产生5-15V电压，记录第一电极51、第三电极53测试回路与第二电极52、第三电极53测试回路的电流变化；其中第一电极51与第二电极52测试回路用于测量因检测气体变化导致的电极电势的变化用于抵消电极极化导致的误差。
步骤3、随后在周围环境中通入NOx，由于NOx与第一电极敏感材料发生一定反应，电极表面吸附活化态气体分子，电极电阻改变，工作回路电流发生变化，经电路控制***可筛选出所需气体信号，从而确定一定NOx浓度对应的电学信号。
如需定量标定不同NOx，仅需改变待测气体浓度，并根据工作回路电流值的变化，确定NOx的浓度-电信号关系。

Claims (8)

1.一种NOx气体传感器，其特征在于，自下而上依次包括：硅基底层（1）、支撑层（2）、加热电极（3）、绝缘层（4）、测试电极层（5）；其中硅基底层（1）上方的测试端一侧开有隔热腔（11）；支撑层（2）完全覆盖硅基底层（1）；加热电极（3）设置于支撑层（2）和绝缘层（4）之间，绝缘层（4）用于隔离加热电极（3）和测试电极层（5）；所述支撑层（2）为SiO2/Si3N4复合膜；
所述测试电极层（5）包括：平行排列的第二电极（52）、第一电极（51）和第三电极（53），其中第一电极（51）、第二电极（52）和第三电极（53）均由电极端延伸至测试端；所述第一电极（51）到所述第二电极（52）以及到第三电极（53）的距离相等；所述第一电极（51）的材料成分为WO3 60-80%、Pt 20-40%；第二电极（52）和第三电极（53）成分为Pt；
加热电极（3）对测试区域加热至200-500℃；第一电极（51）与第二电极（52）测试回路用于测量因检测气体变化导致的电极电势的变化用于抵消电极极化导致的误差。
2.根据权利要求1所述的一种NOx气体传感器，其特征在于，所述隔热腔（11）为截面呈V形或弧形的凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种NOx气体传感器，其特征在于，所述支撑层（2）由支撑层绝缘区（21）、中部以及支撑层支撑区（22）组成，在测试端的支撑层绝缘区（21）位于隔热腔（11）的正上方。
4.根据权利要求3所述的一种NOx气体传感器，其特征在于，所述支撑层绝缘区（21）为矩形。
5.根据权利要求3所述的一种NOx气体传感器，其特征在于，所述加热电极（3）包括：加热电极加热区（31）、供电引线（32）和供电电极（33），设置于测试端的加热电极加热区（31）呈折线形，位于支撑层（2）的支撑层绝缘区（21）正上方。
6.根据权利要求1或5之一所述的一种NOx气体传感器，其特征在于，所述加热电极（3）的成分为Pt。
7.根据权利要求1所述的一种NOx气体传感器，其特征在于，所述绝缘层（4）为SiO2/Si3N4复合膜 。
8.根据权利要求1所述的一种NOx气体传感器，其特征在于，所述第一电极（51）、所述第二电极（52）和所述第三电极（53）的长度相同。
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