專利名稱：基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器及其檢測(cè)氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的氣體傳感器及檢測(cè)方法，具體地說，涉 及的是一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器及其檢測(cè)氣體的方法。
背景技術(shù)：
氣體放電光譜分析方法是檢測(cè)精度和置信度最高的氣體成分檢測(cè)分析方法 之一，在諸如航空航天、國(guó)防、公共安全、空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和土壤資源監(jiān)測(cè)等等重 要領(lǐng)域中，發(fā)揮著非常重要的作用。經(jīng)過一定的改裝，氣體放電光譜分析裝置通 常還可以同時(shí)用于固態(tài)和液態(tài)樣品的成分分析，因此，其多功能性使其應(yīng)用范圍 被進(jìn)一步拓寬。然而，伴隨著氣體傳感器微型化的發(fā)展趨勢(shì)，氣體放電光譜分析 方法卻因?yàn)闄z測(cè)裝置難于小型化，在近年來的發(fā)展非常緩慢和滯后。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朥S 7， 361， 514， B2，名稱 "System and method for gas discharge spectroscopy"(氣體方夂電光譜分析 的方法和系統(tǒng))，介紹了一種利用氣體放電所發(fā)射出的光輻射實(shí)現(xiàn)氣體成分分析 的系統(tǒng)和方法，利用類似于等離子體顯示器的等離子體發(fā)生裝置以及陣列化的光 敏裝置，對(duì)氣體在放電過程中輻射出的特征光輻射進(jìn)行多特征識(shí)別。此技術(shù)可以 使得氣體放電光譜分析方法高精確度的優(yōu)點(diǎn)得到進(jìn)一步的提高，但是，這一系統(tǒng) 仍然只能依靠較大型的設(shè)備才能夠?qū)崿F(xiàn)，而很難進(jìn)行小型化，更難于實(shí)現(xiàn)片上化 的集成制造。
檢索中還發(fā)現(xiàn)，Ashish Modi等在《Nature(London)》(第424巻，第171-174 頁(yè)，2003年)上發(fā)表的"Miniaturized Ionization Gas Sensors using Carbon Nanotubes"(小型化的碳納米管電離氣體傳感器)，介紹了一種以多壁碳納米 管為電極的氣體傳感器，與沒有碳納米管的金屬平板電極相比，該傳感器的工作 電壓下降了數(shù)倍之多，從而為此類器件的微型化、片上化提供了基礎(chǔ)。此類傳感 器的敏感范圍很寬，原理上對(duì)任何能發(fā)生電離的氣體都具有敏感性，例如該文中 就報(bào)告了對(duì)惰性氣體的敏感性，這是吸附式氣體傳感器的敏感范圍所不及的。另一方面，此類器件幾乎不存在中毒問題，只要短時(shí)間送風(fēng)，就可以使得前一次放 電的空間電荷殘留消散。但僅通過文中己有的間隙擊穿臨界電壓檢測(cè)或者局部自 持放電電流幅值檢測(cè)，此類器件對(duì)混合氣體的敏感性和檢測(cè)精度無法達(dá)到氣體放 電光譜分析的水平。另外，作為大量中性分子與帶電粒子非彈性碰撞的統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 僅通過文中已有的間隙擊穿臨界電壓檢測(cè)或者局部自持放電電流幅值檢測(cè)，此類 器件對(duì)于電離系數(shù)差別較小的兩種氣體的選擇性不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于氣體放電光譜分析的 氣體傳感器及其檢測(cè)氣體的方法，將一維納米材料作為電極材料，并形成氣體放 電的放電間隙，降低器件的操作電壓，帶通濾光片能夠選擇性地使得放電區(qū)域由 目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通過，光敏裝置僅接收這一輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信 號(hào)，通過檢測(cè)光敏裝置的電信號(hào)輸出，可以定性或者定量地對(duì)目標(biāo)氣體的成分與 濃度進(jìn)行分析。該傳感器能夠集成化地片上制造，能夠形成片上化、陣列化、微 型化的氣體放電光譜分析裝置。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，包括極化電極、 柵格電極、帶通濾光片和光敏裝置。柵格電極、帶通濾光片處于極化電極和光敏 裝置之間，柵格電極與極化電極之間的氣體間隙構(gòu)成放電區(qū)域，柵格電極具有鏤 空的結(jié)構(gòu)，能夠使放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通；帶通濾光片能夠選擇性地使得放電 區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通過；光敏裝置僅能夠接收由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的 特征輻射，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電信號(hào)；
柵格電極和帶通濾光片布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣體間隙， 或者布置于一個(gè)基片上；
光敏裝置和帶通濾光片布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣體間隙， 或者布置于一個(gè)基片上；
在極化電極面向柵格電極一側(cè)表面，布置有導(dǎo)體性或者半導(dǎo)體性的一維納米 材料或者準(zhǔn)一維納米材料作為極化電極的電極材料，如果極化電極電極材料不是 由原位制造工藝制備時(shí)，則極化電極電極材料與基片之間布置有單層或多層的金 屬層。
所述的柵格電極和帶通濾光片，如果是兩個(gè)相互分離的部分，布置于兩個(gè)不同的基片上，通過更換不同通帶波長(zhǎng)的帶通濾光片，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)氣體的 定性和定量分析。
所述的柵格電極和帶通濾光片如果布置在一個(gè)基片上，帶通濾光片具有鏤空 結(jié)構(gòu)，使得放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通，通過更換與柵格電極制造于相同基片上的、 不同通帶波長(zhǎng)的帶通濾光片，能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)氣體的定性和定量分析。
所述的柵格電極和帶通濾光片如果布置在一個(gè)基片上，柵格電極或者屬于帶 通濾光片中的一層或多層膜，在此種情況下，帶通濾光片是多層膜式的，柵格電 極或者不屬于帶通濾光片的一層或多層膜，在此種情況下，柵格電極布置于帶通 濾光片的全部表面，或者，柵格電極布置于帶通濾光片的部分表面，從而增加目 標(biāo)氣體特征光輻射的透過率。
所述的光敏裝置如果與帶通濾光片布置于一個(gè)基片上，光敏裝置設(shè)置于帶通 濾光片背向極化電極一側(cè)的部分表面。
所述的一維納米材料，其直徑在幾納米到幾十納米之間，包括碳納米管、碳 化硅納米線、金屬納米線、金屬氮化物納米線或者金屬氧化物納米線。
本發(fā)明所涉及的一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器檢測(cè)氣體的方法， 是通過光敏裝置將放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，檢測(cè)光 敏裝置是否有電信號(hào)輸出，定性地判斷目標(biāo)氣體的有無；
在己知光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間關(guān)系的條件下，通過 將光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與已知濃度的目標(biāo)氣體的電信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體濃度的定量分析。
本發(fā)明上述方法，包括如下具體步驟
第一步將傳感器暴露于氣體中，在極化電極和柵格電極之間加載電壓，使 得放電區(qū)域發(fā)生氣體放電；
第二步測(cè)量光敏裝置的輸出信號(hào)，如果存在有效輸出信號(hào)，說明存在目標(biāo) 氣體，如果不存在有效輸出信號(hào)，說明不存在目標(biāo)氣體，或者說明存在濃度超出 敏感度范圍的目標(biāo)氣體；或者對(duì)比有效輸出信號(hào)強(qiáng)度和已知濃度的目標(biāo)氣體的電 信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系，確定目 標(biāo)氣體的濃度。
所述的光敏裝置的有效輸出信號(hào)的定義如下在放電區(qū)域沒有發(fā)生氣體放電 的條件下，光敏裝置的輸出信號(hào)被定義為空載信號(hào)，當(dāng)光敏裝置的輸出信號(hào)大于其空載信號(hào)時(shí)，光敏裝置的輸出信號(hào)被定義為有效輸出信號(hào)。
所述的光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系，確定這種關(guān)
系的一種實(shí)現(xiàn)方法是
首先，測(cè)量N (N>3)個(gè)目標(biāo)氣體濃度所對(duì)應(yīng)的光敏裝置輸出電信號(hào)的強(qiáng)度； 然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度
之間的關(guān)系。
對(duì)于相同的目標(biāo)氣體種類和濃度范圍、相同的傳感器而言，確定這一關(guān)系屬 于標(biāo)定的過程，不需要在每一次定量測(cè)試前重復(fù)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效果
首先，傳感器的光輻射源由一維納米電極所主導(dǎo)的氣體放電過程提供，由于 一維納米電極的加入，相對(duì)于傳統(tǒng)的放電電極，放電過程中的能量轉(zhuǎn)換效率會(huì)大 大提高，因而可以在較低的加載電壓下獲得較高的光輻射強(qiáng)度。
其次，由于使用目標(biāo)氣體分子或原子在放電過程中產(chǎn)生的特征光輻射作為識(shí) 別氣體成分的依據(jù)，并且傳感器的輸出信號(hào)為電信號(hào)，可以簡(jiǎn)單地通過電學(xué)量檢 測(cè)實(shí)現(xiàn)氣體成分的定性分析和濃度的定量分析，因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的氣體放電光 譜分析的方法，本發(fā)明所提供的傳感器在檢測(cè)方法與硬件上都可以大大簡(jiǎn)化，完 全可以實(shí)現(xiàn)便攜式的光譜分析氣體傳感器系統(tǒng)。
再次，由于可以使用基于薄膜工藝加工制造的帶通濾光片，又因?yàn)樵S多光敏 裝置也可以通過薄膜和圖形化工藝制造，例如可以工作于紅外波段和紫外波段 的、以一維納米材料為溝道材料的背柵型光敏場(chǎng)效應(yīng)管，而且，基于一維納米材 料的氣體放電電極的制造也可以通過薄膜和圖形化工藝制造，因此，本發(fā)明提供 的傳感器可以實(shí)現(xiàn)片上化集成制造，因此，可以實(shí)現(xiàn)片上化的微型光譜分析氣體 傳感器系統(tǒng)。
最后，由于本發(fā)明提供的氣體傳感器中包含獨(dú)立的氣體放電單元，可以獨(dú)立 地實(shí)現(xiàn)氣體放電氣敏電學(xué)量的檢測(cè)，例如擊穿電壓、局部自持放電電流等，因此， 可以增加標(biāo)定與識(shí)別氣體的特征量，從而增加傳感器的選擇性，又由于氣體放電 氣敏電學(xué)量的檢測(cè)和光譜分析的原理不同，因此可以擴(kuò)大傳感器的敏感范圍。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖中柵格電極和帶通濾光片是兩個(gè)相互分離的部分。圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖中柵格電極和帶通濾光片制造在同一個(gè)基片上，柵格電極設(shè)置于帶通濾 光片的表面。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖中柵格電極和帶通濾光片制造在同一個(gè)基片上，柵格電極為構(gòu)成帶通濾 光片的多層膜中的一層；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例4的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖1所示， 一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，包括極化電極l、 柵格電極3、帶通濾光片4和光敏裝置5;
柵格電極3、帶通濾光片4處于極化電極1和光敏裝置5之間；
柵格電極3和帶通濾光片4布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣體間
隙；
光敏裝置5和帶通濾光片4或者布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣 體間隙；
在極化電極1面向柵格電極3 —側(cè)表面，布置有導(dǎo)體性或者半導(dǎo)體性的一維 納米材料作為極化電極的電極材料2，極化電極電極材料2不是由原位制造工藝 制備的，在極化電極電極材料與基片之間布置有多層金屬層； 柵格電極3與極化電極1之間的氣體間隙構(gòu)成放電區(qū)域； 柵格電極3具有鏤空的結(jié)構(gòu)，能夠使放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通；
帶通濾光片4能夠選擇性地使得放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通
過；
光敏裝置5僅能夠接收由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征輻射，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電 信號(hào)；
該傳感器的檢測(cè)方法是所述的光敏裝置5將放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特 征光輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過檢測(cè)光敏裝置5是否有電信號(hào)輸出，定性地判斷目標(biāo)氣體的有無，在已知光敏裝置5輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間關(guān)系的
條件下，通過將光敏裝置5輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與已知濃度的目標(biāo)氣體的電信號(hào)強(qiáng)
度進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體濃度的定量分析。
上述基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器用于定性地檢測(cè)氣體成分的方法， 其具體步驟如下
第一步使傳感器暴露于氣體中，在極化電極1和柵格電極3之間加載電壓， 使得放電區(qū)域發(fā)生氣體放電；
第二步測(cè)量光敏裝置5的輸出信號(hào)，如果存在有效輸出信號(hào)，說明存在目 標(biāo)氣體，如果不存在有效輸出信號(hào)，說明不存在目標(biāo)氣體，或者說明存在濃度超 出敏感度范圍的目標(biāo)氣體。
上述基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器用于定量地檢測(cè)氣體成分的方法， 其具體步驟如下-
第一步使傳感器暴露于氣體中，在極化電極1和柵格電極3之間加載電壓， 使得放電區(qū)域發(fā)生氣體放電；
第二步測(cè)量光敏裝置5的輸出信號(hào)，如果存在有效輸出信號(hào)，對(duì)比有效輸 出信號(hào)強(qiáng)度和已知濃度的目標(biāo)氣體的電信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)光敏裝置5輸出的電信號(hào) 強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系，確定目標(biāo)氣體的濃度。
所述的光敏裝置5的有效輸出信號(hào)的定義如下在放電區(qū)域沒有發(fā)生氣體放 電的條件下，光敏裝置5的輸出信號(hào)被定義為空載信號(hào)，當(dāng)光敏裝置5的輸出信 號(hào)大于其空載信號(hào)時(shí)，光敏裝置5的輸出信號(hào)被定義為有效輸出信號(hào)。
所述的光敏裝置5輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系，確定這種 關(guān)系的一種實(shí)現(xiàn)方法，其具體步驟是首先，測(cè)量N (N>3)個(gè)目標(biāo)氣體濃度所
對(duì)應(yīng)的光敏裝置5輸出電信號(hào)的強(qiáng)度；然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到光敏裝置
5輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系，對(duì)于相同的目標(biāo)氣體種類和濃 度范圍、相同的傳感器而言，確定這一關(guān)系屬于標(biāo)定的過程，不需要在每一次定 量測(cè)試前重復(fù)。
所述的柵格電極3和帶通濾光片4，是兩個(gè)相互分離的部分，布置于兩個(gè)不 同的基片上，通過更換不同通帶波長(zhǎng)的帶通濾光片4，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)氣體 的定性和定量分析。所述的一維納米材料，分別使用了碳納米管、碳化硅納米線之中的一種作為 極化電極電極材料。
整個(gè)器件的各個(gè)部件全部通過片上化微電子制造技術(shù)加工實(shí)現(xiàn)，共有四層， 最終通過鍵合技術(shù)形成立體結(jié)構(gòu)，但帶通濾光片被設(shè)置為能夠被更換的狀態(tài)，通 過切片最終得到微型器件，其外形尺寸為5mmX5mmX0.3mm，所使用的各種一維 納米材料——碳納米管、碳化硅納米線，均可以實(shí)現(xiàn)在小于36V的低壓之下使氣 體放電的光輻射發(fā)生，并能夠使得光敏裝置檢測(cè)到有效輻射信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，帶通 濾光片的通帶處于丙酮和乙醇放電后發(fā)生的特征輻射，通過更換兩個(gè)帶通濾光 片，對(duì)兩種氣體在空氣中最小lO'ppm量級(jí)的混合氣體，在光敏裝置中都能夠檢 測(cè)到有效電流輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種氣體的傳感。該實(shí)例說明，本發(fā)明所 提供的技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種混合氣體中微量氣體的定性和定量分析，具有 氣體放電光譜分析裝置的一般特征，并且，其工作電壓大大降低，處于幾十伏的 水平，裝置外形大大縮小，因此實(shí)現(xiàn)了氣體放電光譜分析片上化微型傳感器的片 上化設(shè)計(jì)、制造，以及微型化、便攜化使用的基本特征。該實(shí)施例相對(duì)于其他實(shí) 施例，對(duì)各部件片上制造所要求的工藝難度是最低的。
實(shí)施例2
如圖2所示， 一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，包括極化電極l、 柵格電極3、帶通濾光片4和光敏裝置5;
柵格電極3、帶通濾光片4處于極化電極1和光敏裝置5之間； 柵格電極3和帶通濾光片4布置于一個(gè)基片上；
光敏裝置5和帶通濾光片4布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣體間
隙；
在極化電極1面向柵格電極3 —側(cè)表面，布置有導(dǎo)體性或者半導(dǎo)體性的一維 納米材料作為極化電極的電極材料2，極化電極電極材料2是由原位制造工藝制 備的，在極化電極電極材料與基片之間沒有金屬層；
柵格電極3與極化電極1之間的氣體間隙構(gòu)成放電區(qū)域； 柵格電極3具有鏤空的結(jié)構(gòu)，能夠使放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通； 帶通濾光片4能夠選擇性地使得放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通過；
光敏裝置5僅能夠接收由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征輻射，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電 信號(hào)；
該傳感器的檢測(cè)方法、有效輸出信號(hào)的定義、確定光敏裝置5輸出的電信號(hào) 強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系的方法與具體實(shí)施例1相同。
所述的柵格電極3和帶通濾光片4布置在一個(gè)基片上，帶通濾光片4具有鏤 空結(jié)構(gòu)，使得放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通，通過更換與柵格電極3制造于相同基片 上的、不同通帶波長(zhǎng)的帶通濾光片4，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)氣體的定性和定量分 析。
所述的柵格電極3不屬于帶通濾光片4的一層膜，柵格電極3布置于帶通濾 光片4的部分表面。
所述的一維納米材料，包括金屬納米線。
整個(gè)器件的各個(gè)部件全部通過片上化微電子制造技術(shù)加工實(shí)現(xiàn)，最終形成立 體結(jié)構(gòu)僅由三個(gè)基片組成，但帶通濾光片被設(shè)置為能夠被更換的狀態(tài)，通過切片 最終得到微型器件，其外形尺寸為5mmX5mmX0. lmra，滿足對(duì)器件小型化的需求。 器件可以實(shí)現(xiàn)在小于36V的低壓之下使氣體放電的光輻射發(fā)生，并能夠使得光敏 裝置檢測(cè)到有效輻射信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，帶通濾光片的通帶處于丙酮和乙醇放電后發(fā) 生的特征輻射，通過更換兩個(gè)與柵格電極制造于一個(gè)基片上的帶通濾光片，對(duì)兩 種氣體在空氣中最小10'ppm量級(jí)的混合氣體，在光敏裝置中都能夠檢測(cè)到有效 電流輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種氣體的傳感。該實(shí)例說明，本發(fā)明所提供的技 術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種混合氣體中微量氣體的定性和定量分析，具有氣體放電 光譜分析裝置的一般特征，并且，其工作電壓大大降低，處于幾十伏的水平，裝 置外形大大縮小，因此實(shí)現(xiàn)了氣體放電光譜分析片上化微型傳感器的片上化設(shè) 計(jì)、制造，以及微型化、便攜化使用的基本特征，相對(duì)于實(shí)施例l，由于柵格電 極和帶通濾光片被制造于相同的基片上，因此，該實(shí)施例能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝， 而且有利于降低器件的外形尺寸。
實(shí)施例3
如圖3所示， 一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，包括極化電極l、柵格電極3、帶通濾光片4和光敏裝置5;
柵格電極3、帶通濾光片4處于極化電極1和光敏裝置5之間； 柵格電極3和帶通濾光片4布置于一個(gè)基片上；
光敏裝置5和帶通濾光片4布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣體間
隙；
在極化電極1面向柵格電極3 —側(cè)表面，布置有導(dǎo)體性或者半導(dǎo)體性的一維 納米材料作為極化電極的電極材料2，極化電極電極材料2是由原位制造工藝制 備的，在極化電極電極材料與基片之間沒有金屬層；
柵格電極3與極化電極1之間的氣體間隙構(gòu)成放電區(qū)域； 柵格電極3具有鏤空的結(jié)構(gòu)，能夠使放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通； 帶通濾光片4能夠選擇性地使得放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通
過；
光敏裝置5僅能夠接收由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征輻射，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電 信號(hào)；
該傳感器的檢測(cè)方法、有效輸出信號(hào)的定義、確定光敏裝置5輸出的電信號(hào) 強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系的方法與具體實(shí)施例1相同。
所述的柵格電極3和帶通濾光片4布置在一個(gè)基片上，帶通濾光片4具有鏤 空結(jié)構(gòu)，通過更換帶通濾光片，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)氣體的定性和定量分析。所 述的帶通濾光片是多層膜式的，柵格電極3屬于帶通濾光片4中的一層膜。
所述的一維納米材料，使用金屬氮化物納米線或者金屬氧化物納米線。
本實(shí)施例所描述的器件，其基本結(jié)構(gòu)特征和加工工藝特征與具體實(shí)施例2相 似，其檢測(cè)空氣中微量酒精和丙酮濃度的基本性能特征也與具體實(shí)施例2中所描 述的器件相似。所不同的是，對(duì)于上述兩種氣體，在相同濃度、相同操作條件下， 氣敏裝置中輸出信號(hào)強(qiáng)度，本實(shí)施例所描述器件更低。這是由于透光率下降造成 的。但是，本實(shí)施例所描述的方案顯然可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化器件的制造工藝，因?yàn)榭?以省略柵格電極的制造步驟了。
實(shí)施例4
如圖4所示， 一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，包括極化電極l、柵格電極3、帶通濾光片4和光敏裝置5;
柵格電極3、帶通濾光片4處于極化電極1和光敏裝置5之間； 柵格電極3、帶通濾光片4、光敏裝置5布置于一個(gè)基片上；
在極化電極1面向柵格電極3 —側(cè)表面，布置有導(dǎo)體性或者半導(dǎo)體性的一維 納米材料作為極化電極的電極材料2，極化電極電極材料2是由非原位制造工藝 制備的，在極化電極電極材料與基片之間有多層金屬層；
柵格電極3與極化電極1之間的氣體間隙構(gòu)成放電區(qū)域； 柵格電極3具有鏤空的結(jié)構(gòu)，能夠使放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通； 帶通濾光片4能夠選擇性地使得放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通
過；
光敏裝置5僅能夠接收由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征輻射，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電 信號(hào)；
該傳感器的檢測(cè)方法、有效輸出信號(hào)的定義、確定光敏裝置5輸出的電信號(hào) 強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系的方法與具體實(shí)施例1相同。
所述的柵格電極3和帶通濾光片4布置在一個(gè)基片上，帶通濾光片4具有鏤 空結(jié)構(gòu)，通過更換帶通濾光片，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)氣體的定性和定量分析。所 述的帶通濾光片是多層膜式的，柵格電極3屬于帶通濾光片4中的一層膜。
所述的光敏裝置5與帶通濾光片4設(shè)置于一個(gè)基片上，光敏裝置5設(shè)置于帶 通濾光片4背向極化電極1一側(cè)的部分表面。
所述的一維納米材料，使用了金屬納米線。
本實(shí)施例所描述的器件，其基本結(jié)構(gòu)特征和加工工藝特征與具體實(shí)施例3相 似，其檢測(cè)空氣中微量酒精和丙酮濃度的基本性能特征也與具體實(shí)施例3中所描 述的器件相似。所不同的是，對(duì)于上述兩種氣體，在相同濃度、相同操作條件下， 氣敏裝置中輸出信號(hào)強(qiáng)度，本實(shí)施例所描述器件更高，這是因?yàn)楣饷粞b置接收到 的氣體放電紫外輻射強(qiáng)度更高。而且，本實(shí)施例所描述的方案顯然可以進(jìn)一步簡(jiǎn) 化器件的制造工藝，因?yàn)樘幱谌齻€(gè)空間位置的三個(gè)部件被制造在一個(gè)基片上，這 也會(huì)起到進(jìn)一步縮小器件外形尺寸以及降低鍵合一封裝工藝難度的作用。但是， 本實(shí)施例所描述的器件，更換不同的帶通濾光片以增加氣體成分敏感范圍所需要 的成本無疑是四個(gè)實(shí)施例中最高的。由以上的實(shí)施例可以看出，本發(fā)明將一維納米材料作為電極材料，并形成氣 體放電的放電間隙，由于這種特殊的電極材料所主導(dǎo)的氣體放電現(xiàn)象具有更高的 發(fā)光效率，因此可以極大地降低器件的操作電壓。另一方面，利用帶通濾光片選 擇性地使目標(biāo)氣體分子或原子在放電過程中形成的光輻射透過，而使得其他的氣 體分子或原子在放電過程中形成的光輻射被屏蔽，通過設(shè)置一個(gè)能夠?qū)⒐廨椛滢D(zhuǎn) 化為電信號(hào)輸出的光敏裝置，使之只能接收到通過帶通濾光片的光輻射，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)一種目標(biāo)氣體定性的識(shí)別和定量的濃度測(cè)量。由于帶通濾光片可以使用多層 介電薄膜或者導(dǎo)電薄膜的堆砌技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因此可以作為構(gòu)成氣體放電間隙的一部 分，又由于存在這樣的光敏裝置，其制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)片上化的薄膜工藝集成制 造，因此，整個(gè)器件可以被片上化地制造出來，又由于一維納米材料降低放電工 作電壓的作用，整個(gè)光譜分析氣體傳感器適于小型化、片上化。另外，由于光譜 分析具有更高的分析精密度、更高的選擇性、更大的敏感范圍，因此與基于一維 納米材料其他氣敏尺度效應(yīng)的傳感器相比，具有更大的性能優(yōu)勢(shì)。通過調(diào)整帶通
濾光片的制造工藝，制造不同通帶波長(zhǎng)的帶通濾光片，從而可以制造能夠識(shí)別不 同目標(biāo)氣體的傳感器陣列。
權(quán)利要求
1.一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，其特征在于，包括極化電極、柵格電極、帶通濾光片和光敏裝置，柵格電極、帶通濾光片處于極化電極和光敏裝置之間，柵格電極與極化電極之間的氣體間隙構(gòu)成放電區(qū)域，柵格電極具有鏤空的結(jié)構(gòu)，能夠使放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通；帶通濾光片能夠選擇性地使得放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通過；光敏裝置僅能夠接收由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征輻射，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電信號(hào)；柵格電極和帶通濾光片布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣體間隙，或者布置于一個(gè)基片上；光敏裝置和帶通濾光片布置于兩個(gè)不同的基片上，兩者之間存在氣體間隙，或者布置于一個(gè)基片上；在極化電極面向柵格電極一側(cè)表面，布置有導(dǎo)體性或者半導(dǎo)體性的一維納米材料或者準(zhǔn)一維納米材料作為極化電極的電極材料，如果極化電極電極材料不是由原位制造工藝制備時(shí)，則極化電極電極材料與基片之間布置有單層或多層的金屬層。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，其特征是，所 述的柵格電極和帶通濾光片如果布置在一個(gè)基片上，柵格電極屬于帶通濾光片中 的一層或多層膜時(shí)，帶通濾光片是多層膜式的；或者柵格電極布置于帶通濾光片 的全部表面，或者，柵格電極布置于帶通濾光片的部分表面。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，其特征是，所 述的光敏裝置如果與帶通濾光片布置于一個(gè)基片上，光敏裝置設(shè)置于帶通濾光片 背向極化電極一側(cè)的部分表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，其特征是，所 述的一維納米材料，其直徑在幾納米到幾十納米之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器，其特征是，所 述的一維納米材料，包括碳納米管、碳化硅納米線、金屬納米線、金屬氮化物納 米線或者金屬氧化物納米線中 一種。
6. —種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器檢測(cè)氣體的方法，其特征在于， 通過光敏裝置將放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，檢測(cè)光敏 裝置是否有電信號(hào)輸出，定性地判斷目標(biāo)氣體的有無，從而實(shí)現(xiàn)定性地檢測(cè)目標(biāo) 氣體；在已知光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間關(guān)系的條件下，通過 將光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與已知濃度的目標(biāo)氣體的電信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，從 而實(shí)現(xiàn)定量地檢測(cè)目標(biāo)氣體。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器檢測(cè)氣體的方 法，其特征是，所述定性地檢測(cè)目標(biāo)氣體，包括如下步驟-第一步使傳感器暴露于氣體中，在極化電極和柵格電極之間加載電壓，使 得放電區(qū)域發(fā)生氣體放電；第二步測(cè)量光敏裝置的輸出信號(hào)，如果存在有效輸出信號(hào)，說明存在目標(biāo) 氣體，如果不存在有效輸出信號(hào)，說明不存在目標(biāo)氣體，或者說明存在濃度超出 敏感度范圍的目標(biāo)氣體，
8. 如權(quán)利要求6所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器檢測(cè)氣體的方 法，其特征是，所述定量地檢測(cè)目標(biāo)氣體，包括如下步驟第一步使傳感器暴露于氣體中，在極化電極和柵格電極之間加載電壓，使 得放電區(qū)域發(fā)生氣體放電；第二步測(cè)量光敏裝置的輸出信號(hào)，如果存在有效輸出信號(hào)，對(duì)比有效輸出 信號(hào)強(qiáng)度和已知濃度的目標(biāo)氣體的電信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度 與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系，確定目標(biāo)氣體的濃度。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器檢測(cè)氣體的方法，其特征是，所述的光敏裝置的有效輸出信號(hào)，是指在放電區(qū)域沒有發(fā) 生氣體放電的條件下，光敏裝置的輸出信號(hào)被定義為空載信號(hào)，當(dāng)光敏裝置的輸 出信號(hào)大于其空載信號(hào)時(shí)，光敏裝置的輸出信號(hào)被定義為有效輸出信號(hào)。
10. 如權(quán)利要求7或8所述的基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器及其檢測(cè)方法，其特征是，所述的光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)的方法是首先，測(cè)量N個(gè)目標(biāo)氣體濃度所對(duì)應(yīng)的光敏裝置輸出電信號(hào)的強(qiáng)度，N〉3; 然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到光敏裝置輸出的電信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)氣體濃度 之間的關(guān)系；對(duì)于相同的目標(biāo)氣體種類和濃度范圍、相同的傳感器而言，確定這一關(guān)系屬 于標(biāo)定的過程，不需要在每一次定量測(cè)試前重復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于氣體放電光譜分析的氣體傳感器及其檢測(cè)氣體的方法，傳感器包括極化電極、柵格電極、帶通濾光片和光敏裝置，柵格電極、帶通濾光片處于極化電極和光敏裝置之間，柵格電極與極化電極之間的氣體間隙構(gòu)成放電區(qū)域，柵格電極具有鏤空的結(jié)構(gòu)，能夠使放電區(qū)域內(nèi)外的氣體連通；帶通濾光片能夠選擇性地使得放電區(qū)域由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征光輻射通過；光敏裝置僅能夠接收由目標(biāo)氣體產(chǎn)生的特征輻射，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電信號(hào)；通過檢測(cè)光敏裝置的電信號(hào)輸出，可定性或者定量地對(duì)目標(biāo)氣體的成分與濃度進(jìn)行分析。該傳感器能夠集成化地片上制造，能夠形成片上化、陣列化、微型化的氣體放電光譜分析裝置。
文檔編號(hào)G01N21/62GK101408514SQ200810042478
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者侯中宇, 張亞非, 東 徐, 蔡炳初 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)