一種提高二氧化鈦光激發(fā)氣敏性能的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高二氧化鈦光激發(fā)氣敏性能的方法及裝置，該方法是在光氣敏傳感器工作過程中，通過對材料薄膜進(jìn)行加熱調(diào)控（50℃-70℃），使氣敏材料表面物理吸附水減少，從而對環(huán)境濕度不敏感；其次，表面保留的化學(xué)吸附水在紫外光照下產(chǎn)生的自由羥基，以及由低溫加熱下產(chǎn)生少量熱激發(fā)誘導(dǎo)的光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應(yīng)，可大幅度提高其響應(yīng)恢復(fù)速度。裝置包括材料基片、光激發(fā)源、光激發(fā)控制模塊、溫度控制模塊、信號調(diào)理模塊、計(jì)算機(jī)、殼體和電路支撐板；材料基片上設(shè)置有二氧化鈦材料薄膜、加熱電阻和測溫電阻。本發(fā)明解決了二氧化鈦光激發(fā)氣敏商用化所面臨的兩大難題，使其對環(huán)境濕度不敏感，并具有較高的響應(yīng)恢復(fù)速度?？梢姡鼘ν七M(jìn)光激發(fā)氣敏的商用化有重要意義。
【專利說明】-種提高二氧化鐵光激發(fā)氣敏性能的方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光氣敏材料技術(shù)，涉及二氧化鐵氣敏材料的響應(yīng)恢復(fù)性能，具體指一 種提高二氧化鐵光激發(fā)氣敏性能（尤其是響應(yīng)恢復(fù)速度與濕度不敏感）的方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 金屬氧化物氣體傳感器，W其成本低、工藝成熟、敏感特性和穩(wěn)定性良好W及與半 導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的金屬氧化物氣體傳感器，為了實(shí)現(xiàn)高靈敏 和快速響應(yīng)恢復(fù)，大都采用熱激發(fā)方式，工作溫度較高（溫度在250-45(TC )，導(dǎo)致器件功耗 高，也存在安全隱患。光激發(fā)是代替熱激發(fā)實(shí)現(xiàn)室溫氣敏行之有效的方法，特別對于二氧化 鐵而言，在紫外光激發(fā)下有良好的氣敏性能。但是室溫下二氧化鐵光激發(fā)氣敏響應(yīng)恢復(fù)速 度非常慢，完全恢復(fù)需30分鐘W上；同時(shí)由于二氧化鐵是一種親水材料，易受環(huán)境濕度影 響，其敏感度隨環(huán)境濕度增加會急劇降低，上述問題阻礙了二氧化鐵光激發(fā)氣敏傳感器的 商用化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種提高二氧化鐵光激發(fā)氣敏性能的方法及裝置，目的在于大幅度提 高二氧化鐵光激發(fā)氣敏響應(yīng)恢復(fù)速度與濕度不敏感，使得穩(wěn)定性和敏感度良好，從而達(dá)到 商用化的要求。
[0004] 本發(fā)明提供一種提高二氧化鐵光激發(fā)氣敏性能的方法，其特征在于，將二氧化鐵 光激發(fā)氣敏傳感器的工作溫度控制在5(TC-7(TC ;其優(yōu)選的工作溫度為6(TC。
[0005] 實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于，該裝置包括材料基片、光激發(fā)源、光激發(fā)控制 模塊、溫度控制模塊、信號調(diào)理模塊、微處理器、殼體和電路支撐板；材料基片上設(shè)置有二 氧化鐵材料薄膜、加熱電阻和測溫電阻，加熱電阻放置于材料基片的中也；二氧化鐵材料 薄膜呈陣列布置在加熱電阻的兩側(cè)；測溫電阻用于測量二氧化鐵材料薄膜的溫度；材料基 片架空固定在電路支撐板上，殼體罩在材料基片的上方，并固定于電路支撐板上；殼體上 開有用于與測試環(huán)境接觸的通孔；光激發(fā)源安裝在殼體的頂部，用于對二氧化鐵材料薄膜 進(jìn)行光激發(fā)；電路支撐板固定在集成有光激發(fā)控制模塊、溫度控制模塊、信號調(diào)理模塊和 微處理器的電路板上；其中，光激發(fā)控制模塊與光激發(fā)源電信號連接，溫度控制模塊與測 溫電阻及加熱電阻電信號連接，使二氧化鐵材料薄膜的工作溫度控制在5(TC-7(rC ;信號 調(diào)理模塊一端與二氧化鐵材料薄膜連接，另一端與微處理器電信號連接，微處理器與光激 發(fā)控制模塊和溫度控制模塊電信號連接。
[0006] 眾所周知，二氧化鐵在紫外光激發(fā)下具有良好的氣敏性能。但同時(shí)它是一種親水 材料，由于表面孔隙率大導(dǎo)致吸水性很強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，二氧化鐵光氣敏材料所處的測試 環(huán)境中通常都有一定的濕度，在傳感器工作時(shí)，水會吸附在材料表面，影響材料的電導(dǎo)，從 而導(dǎo)致氣體敏感度大幅度降低。一般處理方法是：在光氣敏傳感器工作之前，將二氧化鐵 加熱到中高溫（200?30(TC)，使得二氧化鐵表面的吸附物脫附，用W消除表面吸附物（尤 其是吸附水）的影響。然而在此溫度下加熱二氧化鐵產(chǎn)生的熱激發(fā)效應(yīng)會使得紫外光對其 光激發(fā)作用急劇降低，喪失光激發(fā)氣敏性能，所W無法在傳感器工作的同時(shí)進(jìn)行加熱脫附， 也就無法消除其工作時(shí)表面再次吸附水對其產(chǎn)生的不良影響。此外，中高溫的脫附所需的 加熱、冷卻循環(huán)會對二氧化鐵薄膜產(chǎn)生冷熱沖擊，極大地降低了傳感器的穩(wěn)定性和使用壽 命。
[0007] 我們發(fā)現(xiàn)：在傳感器工作時(shí)，將二氧化鐵稍微加熱到5(TC?7(TC，能使表面的物 理吸附水脫附，從而大幅度削弱了水對敏感度的不良影響。由于加熱溫度不高，保留了材料 表面的化學(xué)吸附水，它在紫外光照射下會產(chǎn)生自由輕基，有助于氣敏響應(yīng)恢復(fù)速度的提高。 同時(shí)，低溫（6(TC )加熱對于二氧化鐵氣敏材料起到了一定的熱激發(fā)作用，非但沒有影響光 激發(fā)的氣敏性能，而且誘導(dǎo)材料產(chǎn)生了光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應(yīng)，大幅度提高了其光激發(fā) 氣敏的響應(yīng)恢復(fù)速度。
[0008] 對二氧化鐵氣敏材料實(shí)施可調(diào)控加熱，可W實(shí)時(shí)監(jiān)測控制材料薄膜的溫度，使其 穩(wěn)定在一個(gè)最佳的工作溫度點(diǎn)。
[0009] 提高二氧化鐵氣敏材料的工作溫度，能減少材料表面物理吸附水的量，使其對環(huán) 境濕度不敏感，而對特定氣體的敏感度較高。
[0010] 對二氧化鐵氣敏材料進(jìn)行調(diào)控加熱，可W在光激發(fā)的同時(shí)給予其熱激發(fā)作用； 光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應(yīng)，能大幅度提高光氣敏的響應(yīng)恢復(fù)速度。
[0011] 總之，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是，二氧化鐵光激發(fā)氣敏傳感器工作 時(shí)，通過可調(diào)控的加熱手段，將工作溫度穩(wěn)定在5(TC?7(TC，使二氧化鐵氣敏材料對環(huán)境 濕度不敏感，保證其具有良好的穩(wěn)定性和敏感度。同時(shí)，表面化學(xué)吸附水產(chǎn)生的自由輕基， W及光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應(yīng)將有助于氣敏響應(yīng)恢復(fù)速度的提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是基于光激發(fā)的光氣敏傳感器工作示意圖。
[0013] 圖2是本發(fā)明實(shí)例中光氣敏器件示意圖，（a)為器件的結(jié)構(gòu)示意圖；化）為材料基 片1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖3是采用本發(fā)明方法的對比圖，其中，（a)室溫下濕度對比；化)0%濕度下溫度 對比；（C) 60%濕度下溫度對比。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 在光激發(fā)作用下，金屬氧化物對特定氣體有氣敏響應(yīng)，對金屬氧化物氣敏材料實(shí) 施可調(diào)控加熱至5(TC?7(TC (優(yōu)選6(TC )，使氣敏材料表面物理吸附水減少，從而對環(huán)境 濕度不敏感；其次，表面保留的化學(xué)吸附水在紫外光照下產(chǎn)生的自由輕基，W及由低溫加 熱下產(chǎn)生少量熱激發(fā)誘導(dǎo)的光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應(yīng)，可大幅度提高其響應(yīng)恢復(fù)速度。
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于 該些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述 的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0017] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明實(shí)例提供的裝置，即一種二氧化鐵光激發(fā)氣敏傳感器，它 包括材料基片1、光激發(fā)源6、光激發(fā)控制模塊7、溫度控制模塊8、信號調(diào)理模塊9、微處理器 10、殼體11和電路支撐板12。裝置的主要功能：一是實(shí)現(xiàn)對氣敏材料的光激發(fā)控制；二是 實(shí)現(xiàn)對氣敏材料的溫度控制；H是實(shí)現(xiàn)獲取并處理數(shù)據(jù)的功能。
[0018] 如圖2(a)、化）所示，本發(fā)明實(shí)例所使用裝置的結(jié)構(gòu)：材料基片1上設(shè)置有二氧化 鐵材料薄膜2、加熱電阻3和測溫電阻4 W及觸盤5。為了使其加熱均勻，加熱電阻3呈連 續(xù)的折線型（如U與倒U型交互方式）放置于基片的中也；二氧化鐵材料薄膜2呈陣列布 置在加熱電阻3的兩側(cè)；測溫電阻4用于測量二氧化鐵材料薄膜2的溫度；觸盤5通過金 絲與電路支撐板12相連，用于傳輸電信號。
[0019] 材料基片1架空固定在電路支撐板12上，用金絲將材料基片1上的觸盤5與電路 支撐板12連在一起。為了屏蔽外界信號干擾、保護(hù)材料基片1和金絲，殼體11罩在材料基 片1的上方，并固定于電路支撐板12上。殼體11的側(cè)面開有用于與測試環(huán)境（包括濕空 氣和測試氣體）接觸的通孔；光激發(fā)源6安裝在殼體11的頂部，用于對二氧化鐵材料薄膜 2進(jìn)行光激發(fā)。電路支撐板12通過插針固定在集成了光激發(fā)控制模塊7、溫度控制模塊8、 信號調(diào)理模塊9和微處理器10的電路板上，其中，H個(gè)模塊受微處理器10直接控制。光激 發(fā)控制模塊7用于控制光激發(fā)源6工作與否。溫度控制模塊8通過加熱電阻3和測溫電阻 4的相互協(xié)調(diào)，用于調(diào)控二氧化鐵材料薄膜2的工作溫度。信號調(diào)理模塊9將從二氧化鐵 材料薄膜2上獲取的模擬電信號進(jìn)行處理，并通過電路芯片和微處理器10相配合獲得電阻 值，最后微處理器10對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示。
[0020] 整個(gè)裝置的工作流程是：將裝置放于待測氣氛環(huán)境中，二氧化鐵材料薄膜2與待 測氣氛、濕空氣充分接觸。通過微處理器10設(shè)定工作溫度為5(TC?7(TC (優(yōu)選6(TC)，將 加熱電信號傳給溫度控制模塊8,隨后加熱電阻3和測溫電阻4 W及溫度控制模塊8協(xié)同工 作，使工作溫度穩(wěn)定在設(shè)定的工作溫度。信號調(diào)理模塊9實(shí)時(shí)獲取二氧化鐵材料薄膜2的 電阻值，并傳輸給微處理器10。此時(shí)，微處理器10給光激發(fā)控制模塊7電信號，使光激發(fā)源 6開始工作，發(fā)出紫外光照射在材料基片1的二氧化鐵材料薄膜2上。二氧化鐵材料薄膜2 的電阻會發(fā)生巨大變化，信號調(diào)理模塊9獲取其電阻信號，并傳輸給微處理器10進(jìn)行處理 數(shù)據(jù)與顯示。測試完，微處理器10下達(dá)指令，氣敏傳感器裝置停止工作。至此，一個(gè)完整的 測試流程結(jié)束。
[0021] 上述材料基片與電路板之間電信號傳輸除本發(fā)明實(shí)例采用的最簡單的方式（觸 盤、金絲和插針）外，還可W通過其它各種方式實(shí)現(xiàn)。
[002引 實(shí)例：
[0023] 實(shí)例中采用的裝置為上文所述，其中：材料基片1為陶瓷片；加熱電阻3和測溫 電阻4均為Pt電阻；光激發(fā)源6為1W紫光燈珠A0T (波長為365nm)。
[0024] 采用本發(fā)明的技術(shù)方法及裝置，W Ti化為基底材料，在光激發(fā)條件下對空氣中的 甲酵進(jìn)行檢測；將其與未改進(jìn)的測試方法進(jìn)行對比。通過改變兩個(gè)外部參量（一是環(huán)境中 的濕度，二是氣敏材料的工作溫度）來做對比實(shí)驗(yàn)，分析測試結(jié)果，展示本發(fā)明方法的有益 效果。我們利用模擬環(huán)境腔來營造測試環(huán)境，可W人工設(shè)定各項(xiàng)條件。本次測試設(shè)定甲酵濃 度為l(K)ppm。設(shè)計(jì)六組對比實(shí)驗(yàn)，1號為室溫，0%濕度；2號為室溫，60%濕度；3號為6(TC， 〇〇/〇濕度；4號為60°C，60%濕度；5號為80°C，0%濕度，6號為80°C，60%濕度。將Ti〇2基材 料的光激發(fā)氣敏傳感器放入模擬環(huán)境腔中，分別完成六組測試。W Ti02為基底材料，在紫 外光激發(fā)的條件下對甲酵進(jìn)行檢測。且與未改進(jìn)的測試方法進(jìn)行對比，比較環(huán)境濕度對材 料性能的影響W及光氣敏的響應(yīng)恢復(fù)速度，將得到六組測試數(shù)據(jù)整理為H張對比圖，（a)室 溫下濕度對比；（b)0%濕度下溫度對比；（C) 60%濕度下溫度對比。
[0025] 為了獲得更加直觀的敏感度和響應(yīng)恢復(fù)速度該兩類數(shù)據(jù)，做對比實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們將 裝置放到模擬環(huán)境腔中，紫外光從始至終處于工作狀態(tài)；通過改變模擬環(huán)境腔中的測試氣 氛來獲取上述兩類數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)，模擬環(huán)境腔中沒有甲酵，只有空氣（濕度符合對應(yīng) 實(shí)驗(yàn)組的要求）；隨后改變氣氛，即模擬環(huán)境腔中加入l(K)ppm的甲酵；一段時(shí)間后，再恢復(fù) 到初始狀態(tài)（沒有甲酵，只有空氣）。在實(shí)驗(yàn)中，電阻值會不斷變化，記錄它隨時(shí)間變化的 曲線。我們定義敏感度為紫外光下氣敏材料初始態(tài)電阻與甲酵環(huán)境下穩(wěn)態(tài)電阻的比值；相 對應(yīng)的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間為氣敏材料從氣氛環(huán)境下所處的穩(wěn)態(tài)電阻恢復(fù)到初始態(tài)電阻所需要 的時(shí)間。其中，敏感度是判斷Ti化基材料對甲酵的靈敏度大??；響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間是衡量Ti化 基材料檢測甲酵所需的一個(gè)完整測試循環(huán)的周期長短。通過每組實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果計(jì)算求得 Ti化基材料在光激發(fā)下對l(K)ppm甲酵響應(yīng)的敏感度和其響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，如表1所示。
[0026] 結(jié)合表1和圖3,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較：
[0027] 如圖3(a)所示，在室溫下，0%濕度的時(shí)候，Ti〇2基材料對甲酵有很高的敏感度，但 是其響應(yīng)恢復(fù)速度太慢（> 1000s)，遠(yuǎn)不能滿足商用化的要求；而60%濕度的時(shí)候，Ti化 基材料表面形成了物理吸附水，極大降低了 Ti化基材料對甲酵的敏感度（從5760降低到 33)，同樣無法滿足要求。
[002引如圖3(b)所示，0%濕度下，6(TC測試所得曲線的敏感度與室溫條件下相差不多； 但是比較兩者的氣敏響應(yīng)恢復(fù)速度，明顯發(fā)現(xiàn)：6(TC下Ti02基材料對甲酵的響應(yīng)恢復(fù)速度 要快很多（約400s)。而8(TC下氣敏響應(yīng)速度雖然快（250s)，但是由于加熱溫度高，對材料 的熱激發(fā)作用嚴(yán)重影響了光激發(fā)效果，導(dǎo)致其氣敏性能急劇降低（377)。
[0029] 如圖3(c)所示，在60%濕度下，室溫測試所得曲線的敏感度小（33)。但是稍微 加熱到6(TC后，測試所得的曲線不僅敏感度較高（1660)，而且氣敏響應(yīng)恢復(fù)速度非常快 (170s)。該是因?yàn)榧訜岷骉i02基材料表面物理吸附水的量減少，削弱了其對敏感度的影 響；同時(shí)表面保留的化學(xué)吸附水在紫外光照下產(chǎn)生的自由輕基，W及由低溫加熱下產(chǎn)生的 少量熱激發(fā)誘導(dǎo)的光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應(yīng)，大幅度提高了其氣敏響應(yīng)恢復(fù)速度。而在 8(TC下，氣敏傳感器的各項(xiàng)性能都比較差，說明8(TC己經(jīng)超過了它的最佳工作溫度。
[0030] 綜上所述，W Ti02為基底材料檢測濕空氣中的甲酵，將材料芯片加熱到6(TC時(shí) 性能最佳，能大幅度提高Ti02基材料對甲酵的響應(yīng)恢復(fù)速度，同時(shí)使其對環(huán)境中濕度不敏 感，而對甲酵敏感度較高。
[0031] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[003引表lTi02基材料對甲酵響應(yīng)的敏感度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種提高二氧化鈦光激發(fā)氣敏性能的方法，其特征在于，在光氣敏傳感器工作過程 中，將二氧化鈦材料薄膜的工作溫度控制在50°C -70°C。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高二氧化鈦光激發(fā)氣敏性能的方法，其特征在于，將二氧 化鈦光激發(fā)氣敏傳感器的工作溫度控制在60°C。
3. -種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于，該裝置包括材料基片（1 )、光激 發(fā)源（6)、光激發(fā)控制模塊（7)、溫度控制模塊（8)、信號調(diào)理模塊（9)、微處理器（10)、殼體 (11)和電路支撐板（12); 材料基片（1)上設(shè)置有二氧化鈦材料薄膜（2)、加熱電阻（3)和測溫電阻（4)，加熱電阻 (3) 放置于材料基片的中心；二氧化鈦材料薄膜（2)呈陣列布置在加熱電阻（3)的兩側(cè)；測 溫電阻（4)用于測量二氧化鈦材料薄膜（2)的溫度； 材料基片（1)架空固定在電路支撐板（12)上，殼體（11)罩在材料基片（1)的上方，并 固定于電路支撐板（12)上；殼體（11)上開有用于與測試環(huán)境接觸的通孔；光激發(fā)源（6)安 裝在殼體（11)的頂部，用于對二氧化鈦材料薄膜（2)進(jìn)行光激發(fā)；電路支撐板（12)固定在 集成有光激發(fā)控制模塊（7)、溫度控制模塊（8)、信號調(diào)理模塊（9)和微處理器（10)的電路 板上；其中，光激發(fā)控制模塊（7 )與光激發(fā)源（6 )電信號連接，溫度控制模塊（8 )與測溫電阻 (4) 及加熱電阻（3)電信號連接，使二氧化鈦材料薄膜（2)的工作溫度控制在50°C -70°C ; 信號調(diào)理模塊（9)一端與二氧化鈦材料薄膜（2)連接，另一端與微處理器（10)電信號連接， 微處理器（10 )與光激發(fā)控制模塊（7 )和溫度控制模塊（8 )電信號連接。
4. 權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，在材料基片（1)上設(shè)置有觸盤（5)，觸盤（5)通 過金絲與電路支撐板（12)相連，電路支撐板（12)通過插針固定在所述電路板上，實(shí)現(xiàn)材料 基片（1)與所述電路板之間電信號的傳輸。
【文檔編號】G01N21/63GK104422671SQ201310386692
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】張順平, 雷濤, 謝長生, 曾大文 申請人:華中科技大學(xué)