專利名稱：多孔硅氣體檢測裝置的制作方法
多孔硅氣體檢測裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種多孔硅氣體檢測裝置。背景技術(shù)：
環(huán)境有害氣體主要包括大氣污染氣體和室內(nèi)有害氣體。大氣污染氣體主要指硫氧化物、氮氧化物和一氧化碳等工業(yè)廢氣，以及汽車尾氣中的多種芳烴和碳氫等有機污染氣體，如苯、甲苯和二甲苯等。室內(nèi)有害氣體是由建筑、裝飾和家具造成的，其中危及人們身體健康的主要有甲醛、苯系物、氨氣等有害氣體。環(huán)境有害氣體嚴重影響民眾的健康和居住的環(huán)境，隨著人們環(huán)保意識的提高及科學的進步，環(huán)境空氣質(zhì)量的檢測問題日益引起重視。傳統(tǒng)檢測有害氣體的方法主要是儀器法，如氣相色譜法、分光光度法、熒光光度法、光干涉法等。傳統(tǒng)的有害氣體檢測方法需要借助于大型分析儀器或昂貴而復雜的在線監(jiān)測系統(tǒng)，成本高，耗時長，難以大規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容鑒于此，有必要提供一種快速、簡易的檢測環(huán)境有害氣體的多孔硅氣體檢測裝置。一種多孔硅氣體檢測裝置，包括多孔硅微腔晶體、測試腔、光纖光譜儀和電信號檢測系統(tǒng)，所述測試腔與所述多孔硅微腔晶體密封配合連接，所述多孔硅微腔晶體表面露于所述測試腔的內(nèi)部空腔，所述光纖光譜儀用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的光學信號，所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體連接用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的電信號。優(yōu)選的，所述多孔硅微腔晶體經(jīng)過表面修飾處理，所述表面修飾包括快速退火氧化、臭氧氧化、烷基化修飾、硅烷化修飾和二次修飾。優(yōu)選的，所述測試腔為一缺少底面的方體或柱狀空腔結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述測試腔的腔體為透明材料制作，所述透明材料為聚二甲基硅氧烷、普通玻璃、石英玻璃或有機玻璃。優(yōu)選的，所述測試腔設(shè)有進氣孔和出氣孔，所述進氣孔和出氣孔位于所述測試腔的腔體上表面或側(cè)面。優(yōu)選的，所述光纖光譜儀包括光譜儀和反射式光纖探頭，所述反射式光纖探頭位于所述測試腔外或伸入到所述測試腔內(nèi)部。優(yōu)選的，所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體通過導電極構(gòu)成回路連接。優(yōu)選的，所述光學信號為折射率、光致發(fā)光、雙折射或光波導；所述電信號為電導或電容。一種多孔硅氣體檢測裝置，包括至少兩個子檢測裝置，所述子檢測裝置之間通過導氣管相通，所述子檢測裝置包括多孔硅微腔晶體、測試腔、光纖光譜儀和電信號檢測系統(tǒng)，所述測試腔與所述多孔硅微腔晶體密封配合連接，所述多孔硅微腔晶體表面露于所述測試腔的內(nèi)部空腔，所述光纖光譜儀用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的光學信號，所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體連接用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的電信號。優(yōu)選的，第一個子檢測裝置設(shè)有進氣孔，最末子檢測裝置設(shè)有出氣孔。優(yōu)選的，所述多孔硅微腔晶體經(jīng)過表面修飾處理，所述表面修飾包括快速退火氧化、臭氧氧化、烷基化修飾、硅烷化修飾和二次修飾；所述測試腔為一缺少底面的方體或柱狀空腔結(jié)構(gòu)，所述測試腔的腔體為透明材料制作，所述透明材料為聚二甲基硅氧烷、普通玻璃、石英玻璃或有機玻璃。優(yōu)選的，所述光纖光譜儀包括光譜儀和反射式光纖探頭，所述反射式光纖探頭位于所述測試腔外或伸入到所述測試腔內(nèi)部；所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體通過導電極構(gòu)成回路連接；所述光學信號為折射率、光致發(fā)光、雙折射或光波導；所述電信號為電導或電容。采用測試腔與單晶硅直接組成測試腔體，無需復雜加工過程，易于實現(xiàn)，價格低廉，便于推廣應(yīng)用；同時，通過多孔硅微腔的表面功能化修飾，并將多孔硅光學信號和電學信號檢測結(jié)合起來實現(xiàn)對有害氣體的同步檢測，再進行多參數(shù)的集成分析，快速且準確度高；將單個的檢測裝置進行串聯(lián)，可以實現(xiàn)同步檢測混合氣體中的不同組分，檢測系統(tǒng)靈敏度、準確性更好，應(yīng)用范圍更廣。

圖1為電化學刻蝕制備多孔硅微腔晶體的裝置圖。圖2為連接有導線的多孔硅微腔晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為測試腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為多孔硅氣體檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為多孔硅氣體檢測裝置的串聯(lián)集成示意圖。
具體實施方式多孔硅微腔晶體(Porous silicon microcavity，PSM)包括一系列具有高、低孔隙率的硅刻蝕層，主要包括兩個分布布拉格反射層和夾在中間的一個光學微腔層。PSM在室溫下可發(fā)射可見光，具有非常窄的波峰帶寬。PSM電學信號的檢測，主要是通過表面吸附氣體分子而改變多孔層中自由載流子的濃度，或者通過孔內(nèi)濃縮氣體引起的介電常數(shù)變化引起電導或電容變化；PSM光學信號的檢測，通過測量PSM的折射率、光致發(fā)光、雙折射或光波導來實現(xiàn)對氣體成分的檢測。PSM的制備過程包括取大小合適的P+-(100)晶面的硅片，電阻率0. 004-0. 008歐姆· enT1，經(jīng)過洗滌劑、去離子水、乙醇超聲清洗后，用5% HF的乙醇溶液浸泡5min，以去除表面氧化層。再將此硅片固定放置在如圖1所示的電化學刻蝕槽內(nèi)，往刻蝕槽內(nèi)加入體積比為0.9 1 1的HF (濃度為48-51%)乙醇去離子水的混合溶液，用電化學工作站作為輸出電源，硅片、鉬網(wǎng)分別連接正極和負極，采用脈沖電流模式進行電化學刻蝕，刻蝕條件控制如下第一分布布拉格反射層(DistributedBragg Reflector,DBR)用 6πιΑ·αιΓ2 的脈沖電流刻蝕9. 6s,間隔k后，用25mA -cm"2的脈沖電流刻蝕3. 5s，再間隔5s，以此循環(huán)6_8次；光學微腔層(Opticalmicrocavity，MC)用 6mA · cnT2 的脈沖電流刻蝕 38. 4s ；第二分布布拉格反射層用25mA ·αιΓ2的脈沖電流刻蝕3. 5s,間隔5s，用6mA ·αιΓ2 的脈沖電流刻蝕9. 6s,再間隔5s，以此循環(huán)20次。將刻蝕后的PSM取出，用乙醇和去離子水進行清洗，晾干。制備的PSM要經(jīng)過表面修飾處理才能達到對不同氣體成分進行選擇吸收的目的， 常見的表面修飾處理有多種途徑，如快速退火氧化、臭氧氧化、烷基化修飾、硅烷化修飾、二次修飾等?？焖偻嘶鹧趸瘜SM放置在管式爐中，在氧氣氣氛下快速升溫至900°C，保持 5-10mino臭氧氧化將PSM放置在燒瓶中，通入臭氧進行氧化30min，臭氧的生成速率為5g/ h0烷基化修飾以十一烯酸、十八烯等帶有雙鍵的化合物為試劑，或者將這些試劑與二甲苯或三甲苯按體積比1 2配成溶液，將PSM放置其中，在130-140°C、氮氣保護下進行回流；或者將PSM放置在單純的上述試劑中，在微波爐內(nèi)400-600 加熱20_60min， 取出，分別用正己烷和乙醇進行清洗。硅烷化修飾將PSM放置在IOmmol的硅烷化試劑(比如胺丙基三甲氧基硅烷)的乙醇溶液中，室溫下浸泡30-300min，取出，用乙醇清洗、氮氣吹干。二次修飾經(jīng)過一次修飾后的PSM，通過其表面帶有的氨基、羧基等反應(yīng)基團與其它化學試劑進行反應(yīng)，可以進一步得到多樣功能化的表面，比如可以修飾鏈接上染料分子、 酸堿指示劑等。PSM表面修飾后，需要在PSM的兩端連上電極，以進行電信號的檢測。通過掩蓋鍍膜的方法，在PSM的兩端分別鍍上導電極，再用導電膠粘劑在導電極上粘合導線。如圖2所示為連接有導線的PSM200結(jié)構(gòu)示意圖，單晶硅210表面刻蝕有PSM220，PSM220兩端鍍有導電極230，導電極230上粘合導線。在優(yōu)選的實施方式中，導電極230為鋁電極，厚度為200nm，此外還可以是銅、銀等導電性良好的金屬、合金或非金屬電極；導電膠粘劑優(yōu)選導電性良好的銀膠。如圖4所示為多孔硅氣體檢測裝置400的結(jié)構(gòu)示意圖，該多孔硅氣體檢測裝置400 包括連接有導線的PSM200、測試腔300、光纖光譜儀和電信號檢測系統(tǒng)430，光纖光譜儀包括反射式光纖探頭410和光譜儀420。測試腔300結(jié)構(gòu)如圖3所示，測試腔300為一缺少底面的腔體結(jié)構(gòu)，設(shè)有空腔310、腔壁320、進氣孔330和出氣孔340。將測試腔300缺少的底面與連接有導線的PSM200進行對接，PSM220的表面露于空腔310腔內(nèi)，能夠充分地使進入空腔310的氣體與PSM220表面接觸。PSM220表面連接的導線從進氣孔330和出氣孔340牽出并與電信號檢測系統(tǒng)430連接實現(xiàn)對PSM220電信號的檢測；同時進氣孔330和出氣孔340上連接有導氣管，并使用樹脂或硅膠進行密封。光纖光譜儀對PSM220的光學信號進行檢測。在優(yōu)選的實施方式中，測試腔300為一透明方體或柱狀空腔，選用易成型的透明的聚二甲基硅氧烷(PDMS)為材料制作，反射式光纖探頭410位于測試腔300的外部；進氣孔330和出氣孔340位于測試腔300的上表面或側(cè)面。固化后的PDMS表面具有一定的粘附力，本身就可以和單晶硅210形成良好的密封，為了增加粘附力，測試腔300與單晶硅210 接觸的腔壁320底部用少量有機溶劑，如二氯甲烷，溶解、粘接在單晶硅210上；還可以使用真空氧等離子體方法對PDMS的腔壁320進行處理，以實現(xiàn)PDMS與單晶硅210的永久鍵合。 此外，測試腔300還可以采用非透明的材料，形狀也不限于方體或柱狀體；反射式光纖探頭 410在密封良好的情況下還可以伸入測試腔300內(nèi)部實現(xiàn)對PSM220光學信號的檢測。將單個的多孔硅氣體檢測裝置400進行串聯(lián)，可以實現(xiàn)同步檢測混合氣體中的不同組分。如圖5所示，在第一個裝置留有進氣孔，相鄰的裝置之間用導氣管連接，在最末一個裝置留有排氣孔。第一個裝置的導線通過進氣孔牽出，中間的裝置的導線通過在頂部打孔牽出，最末裝置的導線通過排氣孔牽出，測試腔300上所有的孔用樹脂進行密封；每個裝置都裝有一個反射式光纖探頭。測試腔300內(nèi)的PSM對不同氣體具有選擇吸收性，通過這種連接方式可以連接兩個或兩個以上的裝置，實現(xiàn)對混合氣體中兩種或兩種以上的氣體組分的檢測。檢測時，將不同功能化修飾的PSM樣品和測試腔300組裝成多孔硅氣體檢測裝置 400，并將其串聯(lián)起來。在通入被測氣體之前，先用光纖光譜儀對各測試腔300內(nèi)的PSM樣品的反射譜進行依次檢測，同時用電信號檢測系統(tǒng)430依次檢測各個PSM樣品的阻抗或容抗，即為各個PSM樣品的空白信號。然后在測試腔的一端通入被檢測混合氣體，用光纖光譜儀測試第一個PSM樣品的反射譜，達到穩(wěn)定后的反射光譜即為該PSM樣品的響應(yīng)值，同時測試其電學信號的變化。依次測試各個測試腔300的光譜響應(yīng)和電學響應(yīng)，并記錄下來。在測試完各個PSM樣品后，將其功能化的差異與光學、電學響應(yīng)值進行對照，以此來測定混合氣體的成分。根據(jù)PSM修飾層與被測氣體的物理化學性質(zhì)，如果有特異性吸附的氣體，則PSM樣品光譜響應(yīng)或電學信號會發(fā)生顯著變化，反之則沒有。對于有些非特異性吸附的氣體，單純借助光譜響應(yīng)難以區(qū)分開，則可以根據(jù)其電學信號的變化進一步加以判斷。例如，對于P型硅片刻蝕的PSM，當吸附的分子帶有給電子基團時(如^吐力氏等)，其電阻率一般會增大； 而當吸附的分子帶有吸電子基團時(如N02，SO2等)，其電阻率一般會降低。采用測試腔與單晶硅直接組成測試腔體，無需復雜加工過程，易于實現(xiàn)，價格低廉，便于推廣應(yīng)用；同時，通過多孔硅微腔的表面功能化修飾，并將多孔硅光學信號和電學信號檢測結(jié)合起來實現(xiàn)對有害氣體的同步檢測，再進行多參數(shù)的集成分析，快速且準確度高；將單個的檢測裝置進行串聯(lián)，可以實現(xiàn)同步檢測混合氣體中的不同組分，檢測系統(tǒng)靈敏度、準確性更好，應(yīng)用范圍更廣。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，如測試腔的材料，形狀， 孔的位置等，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1.一種多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，包括多孔硅微腔晶體、測試腔、光纖光譜儀和電信號檢測系統(tǒng)，所述測試腔與所述多孔硅微腔晶體密封配合連接，所述多孔硅微腔晶體表面露于所述測試腔的內(nèi)部空腔，所述光纖光譜儀用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的光學信號，所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體連接用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的電信號。
2.如權(quán)利要求1所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述多孔硅微腔晶體經(jīng)過表面修飾處理，所述表面修飾包括快速退火氧化、臭氧氧化、烷基化修飾、硅烷化修飾和二次修飾。
3.如權(quán)利要求1所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述測試腔為一缺少底面的方體或柱狀空腔結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述測試腔的腔體為透明材料制作，所述透明材料為聚二甲基硅氧烷、普通玻璃、石英玻璃或有機玻璃。
5.如權(quán)利要求1所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述測試腔設(shè)有進氣孔和出氣孔，所述進氣孔和出氣孔位于所述測試腔的腔體上表面或側(cè)面。
6.如權(quán)利要求1所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述光纖光譜儀包括光譜儀和反射式光纖探頭，所述反射式光纖探頭位于所述測試腔外或伸入到所述測試腔內(nèi)部。
7.如權(quán)利要求1所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體通過導電極構(gòu)成回路連接。
8.如權(quán)利要求1所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述光學信號為折射率、光致發(fā)光、雙折射或光波導；所述電信號為電導或電容。
9.一種多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，包括至少兩個子檢測裝置，所述子檢測裝置之間通過導氣管相通，所述子檢測裝置包括多孔硅微腔晶體、測試腔、光纖光譜儀和電信號檢測系統(tǒng)，所述測試腔與所述多孔硅微腔晶體密封配合連接，所述多孔硅微腔晶體表面露于所述測試腔的內(nèi)部空腔，所述光纖光譜儀用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的光學信號，所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體連接用于檢測并記錄所述多孔硅微腔晶體的電信號。
10.如權(quán)利要求9所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，第一個子檢測裝置設(shè)有進氣孔，最末子檢測裝置設(shè)有出氣孔。
11.如權(quán)利要求9所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述多孔硅微腔晶體經(jīng)過表面修飾處理，所述表面修飾包括快速退火氧化、臭氧氧化、烷基化修飾、硅烷化修飾和二次修飾；所述測試腔為一缺少底面的方體或柱狀空腔結(jié)構(gòu)，所述測試腔的腔體為透明材料制作，所述透明材料為聚二甲基硅氧烷、普通玻璃、石英玻璃或有機玻璃。
12.如權(quán)利要求9所述的多孔硅氣體檢測裝置，其特征在于，所述光纖光譜儀包括光譜儀和反射式光纖探頭，所述反射式光纖探頭位于所述測試腔外或伸入到所述測試腔內(nèi)部； 所述電信號檢測系統(tǒng)與所述多孔硅微腔晶體通過導電極構(gòu)成回路連接；所述光學信號為折射率、光致發(fā)光、雙折射或光波導；所述電信號為電導或電容。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多孔硅氣體檢測裝置，包括多孔硅微腔晶體、測試腔、光纖光譜儀和電信號檢測系統(tǒng)，測試腔與多孔硅微腔晶體密封配合連接，多孔硅微腔晶體表面露于測試腔的內(nèi)部，光纖光譜儀用于檢測和記錄多孔硅微腔晶體的光學信號，電信號檢測系統(tǒng)與多孔硅微腔晶體連接用于檢測并分析多孔硅微腔晶體的電信號。采用測試腔與單晶硅直接組成測試腔體，無需復雜加工過程，易于實現(xiàn)，價格低廉，便于推廣應(yīng)用；同時，通過多孔硅微腔的表面功能化修飾，并將多孔硅光學信號和電學信號檢測結(jié)合起來實現(xiàn)對有害氣體的同步檢測，再進行多參數(shù)的集成分析，快速且準確度高。
文檔編號G01N21/25GK102478501SQ20101055378
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者李莎, 蔡林濤, 陳清偉 申請人:中國科學院深圳先進技術(shù)研究院