專利名稱：一種納米分子篩修飾的電容式氣敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種納米分子篩修飾的電容式氣敏傳感器。
背景技術(shù)：
氣敏傳感器能夠檢測(cè)氣體的成分和濃度，廣泛應(yīng)用于1)環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測(cè)探測(cè)各種有毒有害氣體、可燃性氣體，檢測(cè)大氣中氟利昂氣體及污染大氣的NO、SO2氣體等；2)工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控探測(cè)汽車尾氣、工業(yè)廢氣及車間排換氣狀況等；3)食品質(zhì)量分析檢驗(yàn)香精等添加劑的含量、酒精濃度及食品新鮮度控制等；4)疾病早期診斷探測(cè)人體呼氣中特殊氣體的含量作為健康狀況的預(yù)檢，是家庭自檢或群體普查的方便快捷手段之一。氣敏傳感器的應(yīng)用對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和醫(yī)療領(lǐng)域都有非常重要的意義。
氣敏傳感器的種類繁多，按測(cè)量方法可分為電導(dǎo)(阻抗)型、電勢(shì)型、電化學(xué)型、熱量型、光敏型及質(zhì)量型等?，F(xiàn)有技術(shù)均有一些不足之處，如金屬氧化物半導(dǎo)體型氣敏傳感器其敏感材料(金屬氧化物)在特定的氣體環(huán)境中會(huì)發(fā)生電阻或電導(dǎo)的變化，該變化可以表達(dá)待測(cè)氣體濃度。由于敏感層需要在高溫下工作，而且溫度必須控制在特定范圍內(nèi)才能獲得最佳響應(yīng)，因此這類傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其存在產(chǎn)品一致性差、選擇性不好、并需要復(fù)雜的信號(hào)處理電路、功耗大等缺點(diǎn)。而場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵區(qū)敏感膜對(duì)氣體的吸附，可以引起柵極金屬功函數(shù)的變化，并引起晶體管ID電流改變，變化值表達(dá)了氣體濃度高低。這類電勢(shì)型氣敏傳感器的穩(wěn)定性和一致性也比較差，有待進(jìn)一步改進(jìn)。電化學(xué)型氣敏傳感器則需要建立一個(gè)電化學(xué)體系，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必須定期標(biāo)定，使用很不方便。另外幾類傳感器由于敏感原理涉及光、聲波、機(jī)械能等與電學(xué)量之間的能量轉(zhuǎn)換，其測(cè)量系統(tǒng)都很復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種系統(tǒng)穩(wěn)定性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的氣敏傳感器。
本發(fā)明提出的氣敏傳感器，是一種電導(dǎo)(阻抗)型電容式氣敏傳感器。它由除濕腔和敏感腔兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，敏感腔由兩塊電容極板及位于二極板間的介質(zhì)層組成。該介質(zhì)層采用載有納米分子篩敏感材料的紙質(zhì)纖維膜。除濕腔采用由半導(dǎo)體制冷片和2-5級(jí)氣組成的制冷結(jié)構(gòu)。除濕腔底部設(shè)有進(jìn)氣口，除濕腔的上部與敏感腔由孔道連通，敏感腔的另一側(cè)設(shè)有氣出口。
本發(fā)明中，除濕腔使流經(jīng)的樣品氣體中的水蒸汽被冷卻成微水珠，實(shí)現(xiàn)水分與氣體的分離，而不影響原來待測(cè)氣體樣品的濃度，又可消除水汽對(duì)待測(cè)氣體的影響。敏感腔內(nèi)設(shè)計(jì)有敏感電容，通過特定納米分子篩的作用，將特定待測(cè)氣體的濃度轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)輸出。
每感腔中不同的介質(zhì)層對(duì)不同的氣體有不同的響應(yīng)。當(dāng)對(duì)某種氣體響應(yīng)時(shí)，介質(zhì)層的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容值的改變。測(cè)出電容(改變)值，即可獲得被測(cè)氣體的濃度。
本發(fā)明利用載有納米分子篩敏感材料的紙質(zhì)纖維作為介質(zhì)層，對(duì)特定氣體敏感的納米分子篩采用相應(yīng)的工藝，固定在纖維紙片上。該纖維膜既是電容的絕緣電介質(zhì)層，又是被測(cè)氣體的敏感膜。它具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，良好的水熱穩(wěn)定性，以及可以調(diào)控的表面特性，可以吸附一定大小的氣體分子。通過改變分子篩的微孔結(jié)構(gòu)尺寸和對(duì)分子篩孔道、孔穴進(jìn)行必要的化學(xué)修飾，可以實(shí)現(xiàn)納米分子篩對(duì)特定氣體分子的最大吸附。因此，載有該納米分子篩的紙質(zhì)纖維膜使敏感膜對(duì)特定氣體的選擇性大大提高。
為保證被測(cè)氣體在電容敏感腔內(nèi)能快速充分地彌漫，最大限度地利用敏感層的介電常數(shù)的改變以獲得高靈敏度，兩個(gè)電容極板被設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)(見圖2)。
為了有利于氣體路徑通暢，充分發(fā)揮納米分子篩的大比表面積的特性，實(shí)現(xiàn)快速的物理吸附，介質(zhì)敏感層可設(shè)計(jì)成薄膜的結(jié)構(gòu)。由于納米分子篩為粉末材料，為防止分子篩被氣流沖刷脫落，多層纖維膜片將分子篩緊緊的包裹于膜片之間，形成均勻分布的眾多的分子篩疇結(jié)構(gòu)。
同時(shí)，為了減少氣流對(duì)電容的沖擊，保證氣流在腔體內(nèi)的流動(dòng)呈層流狀態(tài)，除濕腔與敏感腔之間的進(jìn)出孔道采用微孔結(jié)構(gòu)，如孔徑可采用Φ5mm-Φ20mm。
本電容極板11的電極引線12接入一個(gè)電容測(cè)量電路，以便測(cè)量并顯示電容值。
該傳感器的工作原理過程如下含有待測(cè)特定氣體(即能被敏感分子篩最大吸附的特定分子)的氣流以層流狀態(tài)進(jìn)入除濕腔，氣體中的水汽被脫除。干燥的氣流進(jìn)一步以層流狀態(tài)進(jìn)入敏感腔。在外加電場(chǎng)V的作用下，敏感電容的大小由電極形狀、大小、二電極的相對(duì)位置及介質(zhì)層的介電常數(shù)ε決定。對(duì)于平板式電容C=QV=ϵAd]]>式中，Q為極板上所帶電荷量，A為極板面積，d為二平行極板的間距。
對(duì)于已經(jīng)制作完成的電容，其幾何尺寸一定，電容值的改變只和介質(zhì)層的介電常數(shù)ε相關(guān)。當(dāng)特定氣體分子被分子篩吸附后，氣體分子即與介質(zhì)層進(jìn)行電子交換，電容量由此而改變，氣體的濃度越高，被吸附的分子越多，則電容的變化越大，因此，測(cè)量電容值的大小可以測(cè)定氣體的濃度。另外，由于分子篩本身是一種強(qiáng)極性的電介質(zhì)，它固定在非極性的纖維紙片上后，介質(zhì)層表面的電場(chǎng)強(qiáng)度增加，當(dāng)與納米孔道和孔穴尺寸和性能相匹配的氣體分子進(jìn)入分子篩后，必然在分子篩的大比表面積的微孔結(jié)構(gòu)中發(fā)生大量的電子交換，檢測(cè)的靈敏度由此大大提高。
電容值由電容電極引線接入一個(gè)測(cè)量電路獲得，并可以直接顯示出氣體濃度值。
本發(fā)明提供了一種電容式氣敏傳感器，它利用多層載有納米分子篩的紙質(zhì)纖維膜作為介質(zhì)層，對(duì)特定的氣體分子具有很高的選擇性，靈敏度也由于強(qiáng)極性分子篩的作用而得到提高。傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可作為一次性傳感器，消除了傳感器多次測(cè)量可能引入的誤差。


圖1為本發(fā)明納米分子篩修飾的電容式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的微孔電極板的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1為除濕腔，2為敏感腔，3為半導(dǎo)體制冷片，4為鋁柱體，5為鋁柱體的中心孔，6為氣室，7為進(jìn)氣口，8為除濕腔與敏感腔的連接通道，9為鋁柱體上的橫向微孔，10為上下氣室之間的通道，11為電容極板，12為電容極板的引出線，13為介質(zhì)層，14為出氣口。
具體實(shí)施例方式
文獻(xiàn)表明，人體呼出氣體中如含有一定量的丙酮，即預(yù)示該人體有糖尿病的疾患。本發(fā)明可被用作檢測(cè)丙酮?dú)怏w濃度的疾病早期診斷傳感器，它不需要任何對(duì)人體的介入，即可獲得檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)作為拋棄型氣敏傳感器可以阻斷交叉感染的途徑。
該氣體傳感器采用ZSM-5分子篩為敏感材料。其制備方法如下將分子篩材料經(jīng)瑪腦研碎研磨30分鐘后，加入適量的CMOS無水乙醇，于超聲波混合儀中超聲處理30分鐘，成為懸浮狀液體，然后將預(yù)先成型的多片超薄的砂紙園片浸于該懸浮液中，取出置于干凈的培養(yǎng)皿中，并在200℃烤箱內(nèi)烘一個(gè)小時(shí)解吸乙醇后，即得介電敏感膜，該敏感膜要置于干燥塔內(nèi)保存，并在干燥操作箱內(nèi)組裝成傳感器的敏感腔。其中的電容極板為圓形，其開有若干均勻分布的直徑為0.5mm的小孔。介電敏感膜的層數(shù)4-8層。
除濕腔分為3級(jí)(即3個(gè)氣室)，其直徑為50-100mm，每級(jí)氣室的高度為40-60mm。采用半導(dǎo)體制冷片，該制冷片設(shè)于鋁柱體頂端，鋁柱體直徑為20-30mm，中心設(shè)有貫穿上下的洞孔，中心洞孔的直徑為3-5mm。每級(jí)氣室的底部處的鋁柱體上開有一些通向中心洞孔的微孔，該微孔直徑可為1-1.5mm，供氣室中形成的冷凝水從該微孔進(jìn)入中心洞孔，滴出除濕腔。除濕腔的上、下層氣室之間在側(cè)面設(shè)有氣體連通管道，該管道直徑為3-6mm。如圖1所示組裝，即得除濕腔。
測(cè)量的樣氣為氮?dú)庵谢旌嫌幸欢舛鹊谋?100ppm)，共有兩組敏感電容的測(cè)量數(shù)據(jù)見表一。同時(shí)為了表明本應(yīng)用對(duì)丙酮?dú)怏w的高選擇性，我們還用同一個(gè)氣敏傳感器對(duì)乙醇?xì)怏w(分子量和極性均與丙酮相似)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果也列在表一中。測(cè)量時(shí)間為10秒。

表一、對(duì)丙酮敏感的納米分子篩修飾的電容式氣敏傳感器的測(cè)量結(jié)果從表中可以看到，該種分子篩對(duì)丙酮?dú)怏w有非常高的選擇性，在吸附丙酮?dú)怏w100ppm后，電容值平均上升7.5pF，而在吸附乙醇?xì)怏w100ppm10秒后，電容值平均下降10.5pF，呈現(xiàn)了與丙酮完全不同的響應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種納米分子篩修飾的電容式氣敏傳感器，其特征在于由除濕腔(1)和敏感腔(2)兩部分組成，其中敏感腔(2)由兩塊電容極板(11)及位于兩極板之間的介質(zhì)層(13)構(gòu)成，該介質(zhì)層(13)采用載有納米分子篩敏感材料的紙質(zhì)纖維膜；除濕腔(1)采用半導(dǎo)體制冷片(3)和2-5級(jí)絕熱氣體膨脹室(6)組成的制冷結(jié)構(gòu)；除濕室(1)底部設(shè)有進(jìn)氣口(7)，除濕室(1)的上部與敏感室(2)之間設(shè)有連通孔道(8)，敏感腔的另一側(cè)設(shè)有出氣口(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于兩個(gè)電容極板(11)設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于介質(zhì)敏感層膜設(shè)計(jì)成薄膜結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣敏傳感器，其特征在于分子篩材料被緊緊包裹于多層纖維膜的膜片之間，形成均勻分布的分子篩疇結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于電容極板(11)的引出線(12)接入電容測(cè)量電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于針對(duì)不同的待測(cè)氣體，選用相應(yīng)的分子篩敏感材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于電介敏感膜的層數(shù)為4-8層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于除濕腔(1)分為3個(gè)氣室(6)，其直徑為50-100mm，每級(jí)氣室(6)的高度為40-60mm，半導(dǎo)體制冷片(3)設(shè)于鋁柱體(4)的頂部，鋁柱體(4)直徑為20-30mm，中心有直徑為3-5mm的洞孔(5)，每個(gè)膨脹室(6)的底部處的鋁柱體側(cè)向開有直徑為1-1.5mm的通向中心洞孔(5)的微孔(9)，上、下膨脹室(6)之間設(shè)有直徑為3-6mm的氣體連通管道(10)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征在于敏感材料采用ZSM-5分子篩。
全文摘要
本發(fā)明為一種納米分子篩修飾的電容式氣敏傳感器。它由除濕腔和敏感腔兩部分組成。其中，敏感腔由兩塊電容極板及中間的介質(zhì)層組成，該介質(zhì)層采用載有納米分子篩敏感材料的紙質(zhì)纖維膜。待測(cè)樣品氣體經(jīng)過除濕腔后去除掉其中的水汽，在敏感腔中通過特定納米分子篩的作用，將氣體的濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。通過測(cè)量電容改變值，即可獲得氣體濃度。本傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，靈敏度高。
文檔編號(hào)G01N27/02GK1529156SQ200310107840
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者黃宜平, 劉全 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)