基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器的製造方法
2023-05-02 08:51:06
基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及氣敏傳感器領域，具體是一種基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器。解決了現有氣體傳感器工作溫度高，功耗大且不能在無線無源的環境下進行食品藥品的變質檢測問題。所述傳感器是結合低溫共燒陶瓷（LTCC）技術和薄膜技術而加工得到的，結構上主要包括三層：供加熱與測溫於一體的鉑電極層、LC導電連接層和供無線無源檢測的測試電極與電感線圈層。測試電極表面附著採用獨特的加工工藝製備的SWNT/ZnO氣味敏感薄膜。利用LC諧振傳感原理，使傳感器實現了在無線無源的環境下對氣體的檢測。本發明結構簡單、成本低，具有靈敏度高、低功耗、高溫穩定性和工作溫度低的顯著特點，利於實現元件的集成化、小型化。
【專利說明】基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及氣敏傳感器領域，具體是一種基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器。
【背景技術】
[0002]氣體傳感器在民用、工業和環境檢測等領域都有著廣泛的應用。尤其是在食品藥品等檢測領域，對傳感器的微型化提出了更高的要求。目前大多數氣體傳感器都是金屬氧化物氣體傳感器，具有靈敏度高、響應快和使用簡單的特點，但其穩定性較差，需要在高溫下工作且功耗較大。而且傳統的氣體傳感器需要電源供電，導致傳感器的壽命年限短、體積大，其應用領域受到了很大的限制。近年來，隨著無線無源技術的發展以及低碳生活的倡導，無線無源氣體傳感器已經形成了新的研究方向。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於提供一種主要用於檢測食品藥品變質的無線無源氣體傳感器，解決現有氣體傳感器工作溫度高、功耗大、有源檢測問題。
[0004]本發明採取的技術方案如下:
基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，採用低溫共燒陶瓷技術燒結而成，自下而上包括三層:供加熱與測溫於一體的鉬電極層、LC導電連接層以及供無線無源檢測的測試電極與電感線圈層，三層結構的陶瓷基底為鏤空結構，三層結構各自附有通孔使得三層結構形成LC迴路，測試電極表面附著SWNT/ZnO氣敏薄膜。
[0005]所述的鉬電極，採用回形電極結構，也就是從兩個電極端開始相間環繞至終點相接，形成回形結構軌跡，電極間距採用1:1的比例。
[0006]SWNT/ZnO氣敏薄膜的製備工藝為，採用酸化處理過的SWNT，通過旋塗和介電電泳的方法將SWNT排布在頂層的測試電極上，再將ZnO濺射在SWNT上，形成兩層氣敏薄膜結構。具體工藝步驟如下:
1)、SWNT提純後進行酸化處理，使其帶上羧基，酸化過程如下:將SWNT粉末加入體積比為3:1的濃硫酸/濃硝酸混合液中30-40min，溫度保持140_145°C ;待充分沉澱後棄去上層液體，加入過量去離子水稀釋後進行真空抽濾；使用去離子水反覆清洗SWNT，直至洗液的pH值為7 ;收集濾膜上的濾出產物將處理後的SWNT與去離子水按一定比例混合，並用400-500W超聲振蕩30min以上，充分靜置，得到濃度為1.25-1.50ug / mL分散性好且穩定的SWNT懸浮液；
2)、對要沉積SWNT的採用金電阻漿料製成的叉指型測試電極進行氨基單分子層修飾；清洗電極後，配製lmol / L的4-氨基硫酚乙醇溶液，將頂層的陶瓷基片浸泡24-30h後用乙醇清洗；經N2乾燥後可在測試電極-金電極表面接上氨基單分子層，與SWNT表面羧基基團形成化學鍵連接；
3)、用微量移液器取10-15uL的預先配製好的1.25-1.50ug / mL的SWNT懸浮液滴到處理過的叉指型測試電極上，將塗有SWNT懸浮液的陶瓷基片放在甩膠臺上進行旋轉，轉速約為500-600轉/分鐘，保證電極表面有一層較均勻的SWNT懸浮液；
4)、介電電泳排列SWNT，把函數信號發生器輸出端的正極和負極分別接在叉指型測試電極的兩端，調節信號發生器的參數，使輸出為頻率10MHz、幅值為5VPP的正弦交流信號，電泳沉積5分鐘後關閉信號發生器；
5)、加固SWNT與電極的接觸，介電電泳組裝將SWNT組裝在電極上之後，在兩電極間施以10VPP、lkHZ、佔空比為1/2的脈衝信號2分鐘，使SWNT將被吸附在電極上，且在隨後的清洗過程中不發生移動或脫落；
6)、使用去離子水清洗，在80°C的烘箱中放置1小時；
7)、將6)所得的覆有SWNT膜的陶瓷基片放入300°C、N2:H2=19:1的燒結爐中退火lh ；
8)、ZnO薄膜的濺射，利用RF磁控濺射的方法在SWNT上製備ZnO薄膜。
[0007]與現有技術相比，本發明所述的氣體傳感器採用LC諧振原理，利用SWNT/ZnO與氣體反應發生電容變化，從而實現無線無源地氣體檢測。將低溫共燒陶瓷技術與納米薄膜技術結合起來，提高了現有傳感器的穩定性，降低了工作溫度和功耗，在尺寸方面有很大的靈活性。傳感器的氣敏單元SWNT/ZnO氣敏薄膜的製備採用處理過的納米碳管SWNT，通過旋塗和介電電泳的方法將SWNT排布在電極上，再將ZnO濺射在SWNT上，形成兩層氣敏薄膜結構。所製備的SWNT/ZnO氣敏薄膜不僅具有優異的電學性能，還有良好的化學穩定性、機械穩定性及熱穩定性，能極大地提高氣體傳感器的靈敏度和穩定性，降低工作溫度和功耗。通過測量，本發明對C02、02、NH3有很快的響應速度，且可工作在低溫20-50°C下。本發明在常溫23°C下，對C02、02、NH3的響應時間分別為43s，3min50s, 2min,且隨著溫度的升高，響應時間分別還可以縮短0.5-2.0s, 1.0-4.8s, 0.8-2.2s。此外，由於回形電極的加熱，本發明還可以降低功率約5%。
[0008]本發明結構簡單合理，利於實現氣體傳感器的一體化、微型化，便於加工，成本低廉mK。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的具體結構示意圖；
圖2為圖1中加熱電極層的結構示意圖；
圖3為圖1中LC導電連接層結構示意圖。
[0010]圖4為圖1中測試電極與電感線圈層結構示意圖。
[0011]圖中:1_LTCC陶瓷基底；2_鉬電極；3_導電連接；4_叉指測試電極；5_電感線圈；6-通孔；7-SWNT/Zn0氣敏薄膜。
【具體實施方式】
[0012]基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，結構上自下而上包括三層:供加熱與測溫於一體的鉬電極層、LC導電連接層以及供無線無源檢測的測試電極與電感線圈層。測試電極表面附著SWNT/ZnO氣敏薄膜。底層上的鉬電極，採用回型電極結構。也就是從兩個電極端開始相間環繞至終點相接，形成回形結構軌跡，電極間距採用1:1的比例。該設計有兩大作用:一是加熱，利用它使薄膜的溫度上升，從而使該傳感器儘快達到最佳工作溫度；二是利用它自身的電阻與溫度呈線性關係來作為溫度傳感器，從而實時測得傳感器的溫度。中間層在與頂層的LC通孔連接處塗有導電漿料，使電感線圈與電容連接導電。頂層上包含叉指型測試電極、電感線圈和SWNT/ZnO氣敏薄膜。當待測氣體與薄膜接觸時，叉指型測試電極可以測試到敏感物質的電容性質發生變化，進而使傳感器的諧振頻率發生變化。叉指型測試電極被平面線圈電感所環繞而構成電感電容槽，利用LC諧振傳感原理實現無線無源檢測。
[0013]如圖1所示，基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，包括LTCC陶瓷基底1，以及在該基底上採用低溫共燒陶瓷技術和薄膜技術加工得到的鉬電極2，供加熱與測溫於一體的加熱單元；LC導電連接3，用以連接L和C ;叉指測試電極4和電感線圈5，用以建立無線無源檢測單元；通孔6，用以提供UP C的連接點；測試電極表面附著加工獨特的SWNT/ZnO氣敏薄膜7。
[0014]如圖2所示，基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，鉬電極2，結構上採用回形電極，電極間距採用1:1的比例，使其受熱更均勻，增強傳感器的熱穩定性。設計的LTCC陶瓷基底1圖形，能夠在很大程度上減少傳感器的受熱面積，有效降低功耗。為了實現傳感器的低功耗，對LTCC陶瓷基底1的結構進行了鏤空設計；鉬電極2設置於傳感器的底層，其具有準確度高、測量範圍大、穩定性好等優點；LC導電連接3設置於傳感器的中間層；叉指測試電極4與電感線圈5設置於傳感器的頂層，各自附有通孔6。如圖4所示，電極上塗有SWNT/ZnO氣敏薄膜7，當待測氣體與薄膜接觸時，叉指型測試電極可以測試到敏感物質的電容性質發生變化。傳感器的諧振頻率與電容有一定的比例關係，因此通過傳感器諧振頻率的變化就可以實現氣體的檢測。
[0015]所述的非接觸無源氣體傳感器的SWNT/ZnO氣敏薄膜7的製備實施例1:
1)、SWNT提純後進行酸化處理，使其帶上羧基，酸化過程如下:將SWNT粉末加入體積比為3:1的濃硫酸/濃硝酸混合液中30min，溫度保持140°C;待充分沉澱後棄去上層液體，力口入過量去離子水稀釋後進行真空抽濾；使用去離子水反覆清洗SWNT，直至洗液的pH值為7 ;收集濾膜上的濾出產物將處理後的SWNT與去離子水按一定比例混合，並用450w超聲振蕩30min以上，充分靜置，得到濃度為1.35ug / mL分散性好且穩定的SWNT懸浮液；
2)、對要沉積SWNT的採用金電阻漿料製成的叉指型測試電極進行氨基單分子層修飾；清洗電極後，配製1 mol / L的4-氨基硫酚乙醇溶液，將頂層的陶瓷基片浸泡25h後用乙醇清洗；經N2乾燥後可在測試電極-金電極表面接上氨基單分子層，與SWNT表面羧基基團形成化學鍵連接；
3)、用微量移液器取15uL的預先配製好的1.35ug /mL的SWNT懸浮液滴到處理過的叉指型測試電極上，將塗有SWNT懸浮液的陶瓷基片放在甩膠臺上進行旋轉，轉速約為500轉/分鐘，保證電極表面有一層較均勻的SWNT懸浮液；
4)、介電電泳排列SWNT，把函數信號發生器輸出端的正極和負極分別接在叉指型測試電極的兩端，調節信號發生器的參數，使輸出為頻率10MHz、幅值為5VPP的正弦交流信號，電泳沉積5分鐘後關閉信號發生器；
5)、加固SWNT與電極的接觸，介電電泳組裝將SWNT組裝在電極上之後，在兩電極間施以10 Vpp、lkHZ、佔空比為1/2的脈衝信號2分鐘，使SWNT將被吸附在電極上，且在隨後的清洗過程中不發生移動或脫落；6)、使用去離子水清洗，在80°C的烘箱中放置1小時；
7)、將6)所得的覆有SWNT膜的陶瓷基片放入300°C、N2:H2=19:1的燒結爐中退火lh ；
8)、ZnO薄膜的濺射，利用RF磁控濺射的方法在SWNT上製備ZnO薄膜。
[0016]所述的非接觸無源氣體傳感器的SWNT/ZnO氣敏薄膜7的製備實施例2:
1)、SWNT提純後進行酸化處理，使其帶上羧基，酸化過程如下:將SWNT粉末加入體積比為3:1的濃硫酸/濃硝酸混合液中35min，溫度保持145°C;待充分沉澱後棄去上層液體，力口入過量去離子水稀釋後進行真空抽濾；使用去離子水反覆清洗SWNT，直至洗液的pH值為7 ;收集濾膜上的濾出產物將處理後的SWNT與去離子水按一定比例混合，並用400w超聲振蕩30min以上，充分靜置，得到濃度為1.25ug / mL分散性好且穩定的SWNT懸浮液；
2)、對要沉積SWNT的採用金電阻漿料製成的叉指型測試電極進行氨基單分子層修飾；清洗電極後，配製1 mol / L的4-氨基硫酚乙醇溶液，將頂層的陶瓷基片浸泡24h後用乙醇清洗；經N2乾燥後可在測試電極-金電極表面接上氨基單分子層，與SWNT表面羧基基團形成化學鍵連接；
3)、用微量移液器取12uL的預先配製好的1.25ug /mL的SWNT懸浮液滴到處理過的叉指型測試電極上，將塗有SWNT懸浮液的陶瓷基片放在甩膠臺上進行旋轉，轉速約為560轉/分鐘，保證電極表面有一層較均勻的SWNT懸浮液；
4)、介電電泳排列SWNT，把函數信號發生器輸出端的正極和負極分別接在叉指型測試電極的兩端，調節信號發生器的參數，使輸出為頻率10MHz、幅值為5VPP的正弦交流信號，電泳沉積5分鐘後關閉信號發生器；
5)、加固SWNT與電極的接觸，介電電泳組裝將SWNT組裝在電極上之後，在兩電極間施以10VPP、lkHZ、佔空比為1/2的脈衝信號2分鐘，使SWNT將被吸附在電極上，且在隨後的清洗過程中不發生移動或脫落；
6)、使用去離子水清洗，在80°C的烘箱中放置1小時；
7)、將6)所得的覆有SWNT膜的陶瓷基片放入300°C、N2:H2=19:1的燒結爐中退火lh ；
8)、ZnO薄膜的濺射，利用RF磁控濺射的方法在SWNT上製備ZnO薄膜。
[0017]所述的非接觸無源氣體傳感器的SWNT/ZnO氣敏薄膜7的製備實施例3:
1)、SWNT提純後進行酸化處理，使其帶上羧基，酸化過程如下:將SWNT粉末加入體積比為3:1的濃硫酸/濃硝酸混合液中40min，溫度保持142°C;待充分沉澱後棄去上層液體，力口入過量去離子水稀釋後進行真空抽濾；使用去離子水反覆清洗SWNT，直至洗液的pH值為7 ;收集濾膜上的濾出產物將處理後的SWNT與去離子水按一定比例混合，並用500w超聲振蕩30min以上，充分靜置，得到濃度為1.50ug / mL分散性好且穩定的SWNT懸浮液；
2)、對要沉積SWNT的採用金電阻漿料製成的叉指型測試電極進行氨基單分子層修飾；清洗電極後，配製1 mol / L的4-氨基硫酚乙醇溶液，將頂層的陶瓷基片浸泡30h後用乙醇清洗；經N2乾燥後可在測試電極-金電極表面接上氨基單分子層，與SWNT表面羧基基團形成化學鍵連接；
3)、用微量移液器取10uL的預先配製好的1.50ug /mL的SWNT懸浮液滴到處理過的叉指型測試電極上，將塗有SWNT懸浮液的陶瓷基片放在甩膠臺上進行旋轉，轉速約為600轉/分鐘，保證電極表面有一層較均勻的SWNT懸浮液；
4)、介電電泳排列SWNT，把函數信號發生器輸出端的正極和負極分別接在叉指型測試電極的兩端，調節信號發生器的參數，使輸出為頻率10MHz、幅值為5VPP的正弦交流信號，電泳沉積5分鐘後關閉信號發生器；
5)、加固SWNT與電極的接觸，介電電泳組裝將SWNT組裝在電極上之後，在兩電極間施以10 Vpp、lkHZ、佔空比為1/2的脈衝信號2分鐘，使SWNT將被吸附在電極上，且在隨後的清洗過程中不發生移動或脫落；
6)、使用去離子水清洗，在80°C的烘箱中放置1小時；
7)、將6)所得的覆有SWNT膜的陶瓷基片放入300°C、N2:H2=19:1的燒結爐中退火lh ；
8)、ZnO薄膜的濺射，利用RF磁控濺射的方法在SWNT上製備ZnO薄膜。
【權利要求】
1.一種基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，其特徵在於:採用低溫共燒陶瓷技術燒結而成，自下而上包括三層:供加熱與測溫於一體的鉬電極層、LC導電連接層以及供無線無源檢測的測試電極與電感線圈層，三層結構的陶瓷基底為鏤空結構，三層結構各自附有通孔使得三層結構形成LC迴路，測試電極表面附著SWNT/ZnO氣敏薄膜。
2.根據權利要求1所述的基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，其特徵在於:所述的鉬電極，採用回形電極結構，電極間距採用1:1的比例。
3.根據權利要求1或2所述的基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，其特徵在於:SWNT/ZnO氣敏薄膜的製備工藝為，採用酸化處理過的SWNT，通過旋塗和介電電泳的方法將SWNT排布在頂層的測試電極上，再將ZnO濺射在SWNT上，形成兩層氣敏薄膜結構。
4.根據權利要求3所述的基於低溫共燒陶瓷技術的非接觸無源氣體傳感器，其特徵在於SWNT/ZnO氣敏薄膜的製備工藝步驟如下:1)、SWNT提純後進行酸化處理，使其帶上羧基，酸化過程如下:將SWNT粉末加入體積比為3:1的濃硫酸/濃硝酸混合液中30-40min，溫度保持140_145°C ;待充分沉澱後棄去上層液體，加入過量去離子水稀釋後進行真空抽濾；使用去離子水反覆清洗SWNT，直至洗液的pH值為7 ;收集濾膜上的濾出產物將處理後的SWNT與去離子水按一定比例混合，並用400-500W超聲振蕩30min以上，充分靜置，得到濃度為1.25-1.50ug / mL分散性好且穩定的SWNT懸浮液；2)、對要沉積SWNT的採用金電阻漿料製成的叉指型測試電極進行氨基單分子層修飾；清洗電極後，配製lmol / L的4-氨基硫酚乙醇溶液，將頂層的陶瓷基片浸泡24-30h後用乙醇清洗；經N2乾燥後可在測試電極-金電極表面接上氨基單分子層，與SWNT表面羧基基團形成化學鍵連接；3)、用微量移液器取10-15uL的預先配製好的1.25-1.50ug / mL的SWNT懸浮液滴到處理過的叉指型測試電極上，將塗有SWNT懸浮液的陶瓷基片放在甩膠臺上進行旋轉，轉速約為500-600轉/分鐘，保證電極表面有一層較均勻的SWNT懸浮液；4)、介電電泳排列SWNT，把函數信號發生器輸出端的正極和負極分別接在叉指型測試電極的兩端，調節信號發生器的參數，使輸出為頻率10MHz、幅值為5VPP的正弦交流信號，電泳沉積5分鐘後關閉信號發生器；5)、加固SWNT與電極的接觸，介電電泳組裝將SWNT組裝在電極上之後，在兩電極間施以10VPP、lkHZ、佔空比為1/2的脈衝信號2分鐘，使SWNT將被吸附在電極上，且在隨後的清洗過程中不發生移動或脫落；6)、使用去離子水清洗，在80°C的烘箱中放置1小時；7)、將6)所得的覆有SWNT膜的陶瓷基片放入300°C、N2:H2=19:1的燒結爐中退火lh ；8)、ZnO薄膜的濺射，利用RF磁控濺射的方法在SWNT上製備ZnO薄膜。
【文檔編號】G01N27/22GK103675040SQ201310585121
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月20日 優先權日:2013年11月20日
【發明者】譚秋林, 李超, 劉文怡, 郭心怡, 張文棟, 熊繼軍, 劉俊, 薛晨陽, 張洋, 紀夏夏, 王曉龍 申請人:中北大學