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，通過對材料薄膜進行加熱調控（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)誘導的光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應，可大幅度提高其響應恢復速度。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、信號調理模塊、計算機、殼體和電路支撐板；材料基片上設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，并具有較高的響應恢復速度?？梢?，它對推進光激發(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

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

【背景技術】
[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 導體工藝兼容等優(yōu)點得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的金屬氧化物氣體傳感器，為了實現(xiàn)高靈敏 和快速響應恢復，大都采用熱激發(fā)方式，工作溫度較高（溫度在250-45(TC )，導致器件功耗 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)氣敏響應恢復速 度非常慢，完全恢復需30分鐘W上；同時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)氣敏響應恢復速度與濕度不敏感，使得穩(wěn)定性和敏感度良好，從而達到 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、信號調理模塊、微處理器、殼體和電路支撐板；材料基片上設置有二 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；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。但同時它是一種親水 材料，由于表面孔隙率大導致吸水性很強。在實際應用中，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，水會吸附在材料表面，影響材料的電導，從 而導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進行加熱脫附， 也就無法消除其工作時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，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，有助于氣敏響應恢復速度的提高。 同時，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，而且誘導材料產(chǎn)生了光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應，大幅度提高了其光激發(fā) 氣敏的響應恢復速度。
[0008] 對二氧化鐵氣敏材料實施可調控加熱，可W實時監(jiān)測控制材料薄膜的溫度，使其 穩(wěn)定在一個最佳的工作溫度點。
[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行調控加熱，可W在光激發(fā)的同時給予其熱激發(fā)作用； 光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應，能大幅度提高光氣敏的響應恢復速度。
[0011] 總之，與現(xiàn)有技術相比，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，通過可調控的加熱手段，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，表面化學吸附水產(chǎn)生的自由輕基， W及光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應將有助于氣敏響應恢復速度的提高。

【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)明實例中光氣敏器件示意圖，（a)為器件的結構示意圖；化）為材料基 片1的結構示意圖。
[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，對金屬氧化物氣敏材料實 施可調控加熱至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)誘導的光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應，可大幅度提高其響應恢復速度。
[0016] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于 該些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述 的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可W相互組合。
[0017] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明實例提供的裝置，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：一是實現(xiàn)對氣敏材料的光激發(fā)控制；二是 實現(xiàn)對氣敏材料的溫度控制；H是實現(xiàn)獲取并處理數(shù)據(jù)的功能。
[0018] 如圖2(a)、化）所示，本發(fā)明實例所使用裝置的結構：材料基片1上設置有二氧化 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；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、 信號調理模塊9和微處理器10的電路板上，其中，H個模塊受微處理器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，用于調控二氧化鐵材料薄膜2的工作溫度。信號調理模塊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)進行處理與顯示。
[0020] 整個裝置的工作流程是：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)定在設定的工作溫度。信號調理模塊9實時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，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，信號調理模塊9獲取其電阻信號，并傳輸給微處理器10進行處理 數(shù)據(jù)與顯示。測試完，微處理器10下達指令，氣敏傳感器裝置停止工作。至此，一個完整的 測試流程結束。
[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現(xiàn)。
[002引 實例：
[0023] 實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 甲酵進行檢測；將其與未改進的測試方法進行對比。通過改變兩個外部參量（一是環(huán)境中 的濕度，二是氣敏材料的工作溫度）來做對比實驗，分析測試結果，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人工設定各項條件。本次測試設定甲酵濃 度為l(K)ppm。設計六組對比實驗，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)的條件下對甲酵進行檢測。且與未改進的測試方法進行對比，比較環(huán)境濕度對材 料性能的影響W及光氣敏的響應恢復速度，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恢復速度該兩類數(shù)據(jù)，做對比實驗時，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)。實驗初始狀態(tài)，模擬環(huán)境腔中沒有甲酵，只有空氣（濕度符合對應 實驗組的要求）；隨后改變氣氛，即模擬環(huán)境腔中加入l(K)ppm的甲酵；一段時間后，再恢復 到初始狀態(tài)（沒有甲酵，只有空氣）。在實驗中，電阻值會不斷變化，記錄它隨時間變化的 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 對應的響應恢復時間為氣敏材料從氣氛環(huán)境下所處的穩(wěn)態(tài)電阻恢復到初始態(tài)電阻所需要 的時間。其中，敏感度是判斷Ti化基材料對甲酵的靈敏度大?。豁憫謴蜁r間是衡量Ti化 基材料檢測甲酵所需的一個完整測試循環(huán)的周期長短。通過每組實驗的測試結果計算求得 Ti化基材料在光激發(fā)下對l(K)ppm甲酵響應的敏感度和其響應恢復時間，如表1所示。
[0026] 結合表1和圖3,對數(shù)據(jù)進行分析比較：
[0027] 如圖3(a)所示，在室溫下，0%濕度的時候，Ti〇2基材料對甲酵有很高的敏感度，但 是其響應恢復速度太慢（> 1000s)，遠不能滿足商用化的要求；而60%濕度的時候，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恢復速度，明顯發(fā)現(xiàn)：6(TC下Ti02基材料對甲酵的響應恢復速度 要快很多（約400s)。而8(TC下氣敏響應速度雖然快（250s)，但是由于加熱溫度高，對材料 的熱激發(fā)作用嚴重影響了光激發(fā)效果，導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?。?3)。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)，而且氣敏響應恢復速度非?？?(170s)。該是因為加熱后Ti02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；同時表面保留的化學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)誘導的光、熱聯(lián)合激發(fā)的協(xié)同效應，大幅度提高了其氣敏響應恢復速度。而在 8(TC下，氣敏傳感器的各項性能都比較差，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 性能最佳，能大幅度提高Ti02基材料對甲酵的響應恢復速度，同時使其對環(huán)境中濕度不敏 感，而對甲酵敏感度較高。
[0031] 本領域的技術人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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、等同替換和改進等，均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[003引表lTi02基材料對甲酵響應的敏感度和響應恢復時間
[0033]

【權利要求】
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. -種實現(xiàn)權利要求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；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. 權利要求3所述的裝置，其特征在于，在材料基片（1)上設置有觸盤（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