本發(fā)明涉及電子元器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于選擇性波段的氣體傳感器及其檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境的惡化，工業(yè)排氣如石油化工、煤化工以及機(jī)動車輛成為嚴(yán)重危害人們的生存環(huán)境和身體健康。因此，實(shí)施監(jiān)測和察覺環(huán)境有害氣體的濃度成為一項(xiàng)重要的技術(shù)需求?；诮饘傺趸锇雽?dǎo)體的氣體傳感器是其中一項(xiàng)重要的技術(shù)。但是，在通常情況下，采用金屬氧化物半導(dǎo)體敏感材料的氣體傳感器需要在200-500攝氏度之間工作，帶來了較大的能量需求，另外，還會導(dǎo)致敏感材料在高溫過程中加速老化，最終導(dǎo)致器件性能惡化，縮短了使用壽命。近來，人們開始采用納米材料技術(shù)和光輔助激活的辦法，盡量降低傳感器的工作溫度至室溫。其中光輔助激活性金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器得到了越來越多的關(guān)注，該技術(shù)的優(yōu)勢在于可以采用僅有幾個毫瓦級別的LED燈，實(shí)現(xiàn)傳感器對氣體的高靈敏度，同時減小了敏感材料的老化過程，期望可提高傳感器的使用壽命。但是，與傳統(tǒng)的高溫工作的傳感器一樣，依然存在著選擇性差和靈敏度低的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種選擇性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好的基于選擇性波段的氣體傳感器及其檢測方法。本發(fā)明采用可變波長的光輔助增敏技術(shù)，采用金屬氧化物集成式的微傳感器陣列的方式，選取不同金屬氧化物在不同波段對不同氣體的靈敏度不同，來提高氣體傳感器的選擇性；并可以使傳感器在室溫工作。

本發(fā)明提供的一種基于選擇性波段的氣體傳感器，其技術(shù)方案為：

一種基于選擇性波段的氣體傳感器，包括封裝組件、金屬氧化物傳感器陣列和光源，封裝組件將金屬氧化物傳感器陣列的氧化物敏感材料和光源封閉在一個密封空間內(nèi)，封裝組件包括進(jìn)氣口和出氣口，光源是波長可變的光源或者波長范圍固定不變的多個光源，光源的波段包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-360nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段，金屬氧化物傳感器陣列上設(shè)置有不同的氧化物敏感材料，在上述的某一波段的光的照射下，至少有一個金屬氧化物傳感器對某一種待測氣體的靈敏度較高，對其他待測氣體的靈敏度較低。

其中，金屬氧化物傳感器陣列的金屬氧化物敏感材料是ZnO、TiO₂、SnO₂、CuO、In₂O₃、NiO或者WO₃中的任一種。

其中，氣體傳感器包括第一金屬氧化物傳感器、第二金屬氧化物傳感器、第三金屬氧化物傳感器、第四金屬氧化物傳感器、第五金屬氧化物傳感器、第六金屬氧化物傳感器和第七金屬氧化物傳感器；

第一金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在300-320nm波段光照下對氨氣具有高靈敏度的NiO；第二金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下對乙醇具有高靈敏度的SnO₂；第三金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下對NO₂具有高靈敏度的In₂O₃；第四金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下對甲醛具有高靈敏度的TiO₂，第五金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下對丙酮具有高靈敏度的ZnO；第六金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下對H₂S具有高靈敏度的CuO，第七金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下對氫氣具有高靈敏度的WO₃。

其中，氣體傳感器包括第八傳感器和第九傳感器，第八傳感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下對氨氣具有高靈敏度氧化還原石墨烯，或者氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物，第九傳感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下對NO₂具有高靈敏度氧化還原石墨烯，或者氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物。

其中，光源設(shè)置在二維平面上。

其中，光源是貼片式光源或者光珠式光源。

其中，氣體傳感器包括敏感材料是石墨烯的傳感器。

其中，石墨烯是氧化還原石墨烯，或者氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物。

本發(fā)明還提供了一種基于選擇性波段的氣體傳感器的檢測方法，包括以下步驟：

(1)、選擇具有不同的氧化物敏感材料的多個金屬氧化物傳感器，并選擇包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-360nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段的光源；用于檢測含有氨氣、乙醇、丙酮、甲醛、NO₂，H₂S和氫氣的混合氣體；

(2)、將光源的波長調(diào)到300-320nm波段范圍，根據(jù)NiO在300-320nm波段光照下第一金屬氧化物傳感器對氨氣的響應(yīng)信號值，檢測氨氣的濃度；

將光源的波長調(diào)到340-365nm波段范圍，根據(jù)SnO₂在340-365nm波段光照下第二金屬氧化物傳感器對乙醇的響應(yīng)信號值，In₂O₃在340-365nm波段光照下第三金屬氧化物傳感器對NO₂的響應(yīng)信號值，檢測乙醇和NO₂的濃度；

將光源的波長調(diào)到340-365nm波段范圍，根據(jù)TiO₂在365-400nm波段光照下第四金屬氧化物傳感器對甲醛的響應(yīng)信號值，ZnO在365-400nm波段光照下第五金屬氧化物傳感器對丙酮的響應(yīng)信號值；檢測甲醛和丙酮的濃度；

將光源的波長調(diào)到500-600nm波段范圍，根據(jù)CuO在500-600nm波段光照下第六金屬氧化物傳感器對H₂S的響應(yīng)信號值，WO₃在500-600nm波段光照下第七金屬氧化物傳感器對氫氣的響應(yīng)信號值，檢測H₂S和氫氣的濃度；

(3)、最后，所有金屬氧化物傳感器在180-254nm的波長范圍內(nèi)將信號恢復(fù)回初始狀態(tài)。

其中，將光源的波長調(diào)到500-600nm波段范圍，根據(jù)氧化還原石墨烯在500-600nm波段光照下第八傳感器對氨氣的響應(yīng)信號值，氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物在500-600nm波段光照下第九傳感器對NO₂的響應(yīng)信號值；檢測氨氣和NO₂的濃度，該檢測值用來校核前面所測的氨氣和NO₂的含量。

本發(fā)明的實(shí)施包括以下技術(shù)效果：

本發(fā)明的一種基于選擇性波段的氣體傳感器，通過采用變化的波長，從而達(dá)到提高傳感器陣列選擇性的目的。目前現(xiàn)有的技術(shù)主要是采用一種光源對一種金屬氧化物，因此，每個傳感器的選擇性依然無法解決。而傳統(tǒng)意義上采用加熱的方式工作的傳感器陣列可以改善選擇性，但在高溫下，敏感材料的微觀結(jié)構(gòu)的老化，會加速傳感器性能的衰減，另外，傳感器陣列對功耗的要求很高。而采用低功耗的可變光源，可以讓傳感器陣列中，至少有一個傳感器在某一波段的光源下，對待分析氣體有一個最高的信號，而對其他氣體響應(yīng)較低。這樣通過改變光源的波長，讓每個傳感器在優(yōu)化的波段照射下，分別對其中一種氣體分子產(chǎn)生最大的信號，進(jìn)而識別出待測氣體中成分和濃度。

同現(xiàn)有的傳統(tǒng)加熱式的氣體傳感器陣列技術(shù)相比，本發(fā)明一方面可以使傳感器在室溫工作，減少敏感材料的老化問題，提高傳感器的穩(wěn)定性，另一方面可以通過改變光波長，提高傳感器對氣體識別的選擇性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種基于選擇性波段的氣體傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種基于選擇性波段的氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例以及附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)說明，需要指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

實(shí)施例1

參見圖1和圖2所示，本實(shí)施例提供的一種基于選擇性波段的氣體傳感器，包括封裝組件4、金屬氧化物傳感器陣列1和光源2，封裝組件4將金屬氧化物傳感器陣列1的氧化物敏感材料3和光源2封閉在一個密封空間內(nèi)，封裝組件4包括進(jìn)氣口5和出氣口6，光源2是波長可變的光源，本實(shí)施例僅使用一個波長可變的光源，可以減小傳感器的體積，光源的波段(波長的取值范圍)包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-360nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段，金屬氧化物傳感器陣列上設(shè)置有不同的氧化物敏感材料，在上述的某一波段的光的照射下，至少有一個金屬氧化物傳感器對某一種待測氣體的靈敏度較高(對氣體分子產(chǎn)生最大的信號)，對其他待測氣體的靈敏度較低，而其他金屬氧化物傳感器對所有待測氣體的靈敏度較低。本實(shí)施例中，靈敏度較高和靈敏度較低指的是：靈敏度較高的信號值為靈敏度較低的信號值的三倍以上。這樣通過改變光源的波長，讓每個傳感器在優(yōu)化的波段照射下，分別對其中一種氣體分子產(chǎn)生最大的信號，進(jìn)而識別出待測氣體中的成分和濃度。同現(xiàn)有的傳統(tǒng)加熱式的氣體傳感器陣列技術(shù)相比，本發(fā)明一方面可以使傳感器在室溫工作，減少敏感材料的老化問題，提高傳感器的穩(wěn)定性，另一方面可以通過改變光波長，提高傳感器對氣體識別的選擇性。

參見圖1所示，光源2設(shè)置在二維平面上。光源2是貼片式光源或者光珠式光源。金屬氧化物傳感器陣列1的金屬氧化物敏感材料是ZnO、TiO₂、SnO₂、CuO、In₂O₃、NiO或者WO₃中的任一種。氣體傳感器還包括敏感材料是石墨烯的傳感器，石墨烯可以是氧化還原石墨烯，還可以是氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物。

優(yōu)選地，本實(shí)施例的氣體傳感器用于檢測含有氨氣、乙醇、丙酮、甲醛、NO₂，H₂S和氫氣的混合氣體，氣體傳感器包括第一金屬氧化物傳感器、第二金屬氧化物傳感器、第三金屬氧化物傳感器、第四金屬氧化物傳感器、第五金屬氧化物傳感器、第六金屬氧化物傳感器和第七金屬氧化物傳感器；

第一金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在300-320nm波段光照下對氨氣具有高靈敏度的NiO。NiO對待測氣體中的氨氣有最大的響應(yīng)值，但對乙醇、丙酮、甲醛、NO₂、H₂S、氫氣響應(yīng)信號相對較低，其他敏感材料對氨氣也有響應(yīng)，但響應(yīng)信號都相對較低，因此根據(jù)NiO在300-320nm波段光照下第一金屬氧化物傳感器對氨氣的響應(yīng)信號值，檢測氨氣的濃度。

第二金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下對乙醇具有高靈敏度的SnO₂。第三金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在340-365nm波段光照下對NO₂具有高靈敏度的In₂O₃。SnO₂對乙醇的響應(yīng)信號值最高，In₂O₃敏感材料會對NO₂有最高的響應(yīng)信號值，對其他氣體成分響應(yīng)較低，根據(jù)SnO₂在340-365nm波段光照下第二金屬氧化物傳感器對乙醇的響應(yīng)信號值，In₂O₃在340-365nm波段光照下第三金屬氧化物傳感器對NO₂的響應(yīng)信號值；檢測乙醇和NO₂的濃度。

第四金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下對甲醛具有高靈敏度的TiO₂，第五金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在365-400nm波段光照下對丙酮具有高靈敏度的ZnO，依次將波長調(diào)到365-400nm區(qū)間，TiO₂對甲醛響應(yīng)權(quán)重最高，ZnO對丙酮響應(yīng)權(quán)重最高；根據(jù)TiO₂在365-400nm波段光照下第四金屬氧化物傳感器對甲醛的響應(yīng)信號值，ZnO在365-400nm波段光照下第五金屬氧化物傳感器對丙酮的響應(yīng)信號值；檢測甲醛和丙酮的濃度。

第六金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下對H2S具有高靈敏度的CuO，第七金屬氧化物傳感器的氧化物敏感材料是在500-600nm波段光照下對氫氣具有高靈敏度的WO₃，當(dāng)光源調(diào)至500-600nm范圍內(nèi)，CuO對H2S的響應(yīng)信號權(quán)重值最高，WO3對氫氣表現(xiàn)出最高的響應(yīng)信號值，根據(jù)CuO在500-600nm波段光照下第六金屬氧化物傳感器對H₂S的響應(yīng)信號值，WO₃在500-600nm波段光照下第七金屬氧化物傳感器對氫氣的響應(yīng)信號值；檢測H₂S和氫氣的濃度。

氣體傳感器包括第八傳感器，第八傳感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下對氨氣具有高靈敏度的氧化還原石墨烯或者氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物，第九傳感器的敏感材料是在500-600nm波段光照下對NO₂具有高靈敏度的氧化還原石墨烯或者氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物。當(dāng)光源調(diào)至500-600nm范圍內(nèi)，氧化還原石墨烯及其復(fù)合物敏感材料對NO₂和氨氣均表現(xiàn)出高響應(yīng)信號值，根據(jù)氧化還原石墨烯或者氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物在500-600nm波段范圍對氨氣和NO₂的響應(yīng)信號值來檢測氨氣和NO₂的濃度，該檢測值用來進(jìn)一步確定校核前面所測的氨氣和NO₂的含量；可減小并消除誤差。

參見圖1和圖2所示，待測混合氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入封裝組件內(nèi)，然后調(diào)節(jié)光源到相應(yīng)的波段，氣體分子被封裝組件中的金屬氧化物傳感器所吸附，產(chǎn)生電信號，生成的電信號經(jīng)處理加工與傳輸，然后通過模式識別系統(tǒng)作出判斷，并將采集的信號傳送到具有分析、判斷、智能解釋功能的數(shù)據(jù)處理分析器、智能解釋器和知識庫。

優(yōu)選地，參見圖2所示，可以以單片機(jī)作為控制核心，金屬氧化物傳感器陣列對待測混合氣體進(jìn)行信號采集，然后通過運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨電路，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采集的模擬信號數(shù)字化，輸入單片機(jī)對信號進(jìn)行數(shù)字濾波、降噪等處理，再通過串行通信接口與PC機(jī)進(jìn)行通訊連接，將數(shù)字化的信號傳輸?shù)絇C機(jī)上，由單片機(jī)現(xiàn)場自動控制檢測，進(jìn)而識別出待測氣體中的成分和濃度。

本實(shí)施例還提供了上述的基于選擇性波段的氣體傳感器的檢測方法，包括以下步驟：

(1)、選擇具有不同的氧化物敏感材料的多個金屬氧化物傳感器，并選擇包括180-254nm波段、300-320nm波段、340-360nm波段、365-400nm波段和500-600nm波段的光源；用于檢測含有氨氣、乙醇、丙酮、甲醛、NO₂，H₂S和氫氣的混合氣體；

(2)、將光源的波長調(diào)到300-320nm波段范圍，根據(jù)NiO在300-320nm波段光照下第一金屬氧化物傳感器對氨氣的響應(yīng)信號值，檢測氨氣的濃度；

將光源的波長調(diào)到340-365nm波段范圍，根據(jù)SnO₂在340-365nm波段光照下第二金屬氧化物傳感器對乙醇的響應(yīng)信號值，In₂O₃在340-365nm波段光照下第三金屬氧化物傳感器對NO₂的響應(yīng)信號值，檢測乙醇和NO₂的濃度；

將光源的波長調(diào)到340-365nm波段范圍，根據(jù)TiO₂在365-400nm波段光照下第四金屬氧化物傳感器對甲醛的響應(yīng)信號值，ZnO在365-400nm波段光照下第五金屬氧化物傳感器對丙酮的響應(yīng)信號值；檢測甲醛和丙酮的濃度；

將光源的波長調(diào)到500-600nm波段范圍，根據(jù)CuO在500-600nm波段光照下第六金屬氧化物傳感器對H₂S的響應(yīng)信號值，WO₃在500-600nm波段光照下第七金屬氧化物傳感器對氫氣的響應(yīng)信號值，檢測H₂S和氫氣的濃度；

(3)、最后，所有金屬氧化物傳感器在180-254nm的波長范圍內(nèi)將信號恢復(fù)回初始狀態(tài)。

優(yōu)選地，將光源的波長調(diào)到500-600nm波段范圍，根據(jù)氧化還原石墨烯在500-600nm波段光照下第八傳感器對氨氣的響應(yīng)信號值，氧化還原石墨烯和金屬氧化物的復(fù)合物在500-600nm波段光照下第九傳感器對NO₂的響應(yīng)信號值；檢測氨氣和NO₂的濃度，該檢測值用來校核前面所測的氨氣和NO₂的含量。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的技術(shù)方案與實(shí)施例1的區(qū)別僅僅是光源設(shè)置的不同，本實(shí)施例僅就不相同的部分進(jìn)行描述，相同的部分不再贅述。本實(shí)施例的光源是波長范圍固定不變的多個光源，將可變光源分開，不再連續(xù)變化，而是分別做成各波長范圍的固定不變光源，重復(fù)氣體傳感器陣列單元，然后組合起來。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。