CN108088955A - 一种抗干扰气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抗干扰气体传感器，涉及气体传感器领域。本发明的抗干扰气体传感器，在封装底座中设置有至少一组阵列传感器芯片，每组阵列传感器芯片均包括至少一个对目标气体和干扰气体均具有第一响应的目标气体气敏元件和至少一个对干扰气体具有第二响应的干扰气体气敏元件，其中，每组阵列传感器芯片设置成当待测气体中存在与某一种目标气体相对应的干扰气体时，用于区分目标气体和干扰气体，排除干扰气体对测量结果的干扰，防止产生误报，提高目标气体的检测识别度和精确度。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器领域，特别是涉及一种抗干扰气体传感器。
背景技术
如何能精准的监控目标气体的浓度成为了目前气体传感器应用领域的一个很大的挑战，在过去的几十年里，基于多种敏感材料和各种转导机理的气体传感器逐渐成为趋势。
目前，市场上使用最多的气体传感器大概分为以下几类：电化学传感器，半导体气体传感器，红外传感器，接触燃烧式气体传感器。电化学传感器因其灵敏度高的优点而广泛应用于甲醛、TVOC、臭氧等气体监测领域，但是其选择性及精度识别上并不是很理想，而且此类传感器的可集成化比较低，对于高速发展的传感器集成领域并不是一个很好的选择。接触燃烧式传感器适用于可燃性气体如H2、CO、CH4的检测。这类传感器的应用面广、体积小、结构简单、稳定性好，缺点是选择性差、检测气体单一。红外气体传感器是典型的吸收式光学气体传感器，是根据气体分别具有各自固有的光谱吸收谱检测气体成分，由于此种传感器的成本较高，因此很难普遍应用生活中。半导体金属氧化物因其低消耗、易生产化、小尺寸、测量简单等诸多优点已经广泛用于检测有害和有毒气体(H2S、CO、H2和NO2等)。
传统的半导体金属氧化物气体传感器大多数以SnO2为主体材料的传感器，其特点是敏感材料气敏性能单一、灵敏度高，因此，很多基于微加工技术的微型半导体气体传感器应运而生，它们是集微型化、低功耗、易组装、易批量生产、成本低等诸多优势为一体的器件。但由于半导体传感器的选择性较差，针对目标气体的高选择性及抗干扰性测试方面仍需要改善和提高。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种抗干扰气体传感器，以解决现有技术中气体传感器不能有效区分目标气体和干扰气体而经常产生误报的问题。
本发明一个进一步的目的是要使得抗干扰气体传感器能够同时针对多种目标气体进行抗干扰检测。
本发明另一个目的在于解决现有技术中抗干扰气体传感器的体积大、不容易集成化的问题。
特别地，本发明提供了一种抗干扰气体传感器，用于区分目标气体和干扰气体，防止产生误报，其特征在于，包括封装底座和安装于所述封装底座内的至少一组阵列传感器芯片，其中，
每组所述阵列传感器芯片均包括至少一个目标气体气敏元件和至少一个干扰气体气敏元件，所述目标气体气敏元件配置成对所述目标气体和所述干扰气体均具有第一响应，所述干扰气体气敏元件配置成仅对所述干扰气体具有第二响应，在只有所述第一响应发生时，所述抗干扰气体传感器判定所述待测气体中含有目标气体；且
所述目标气体气敏元件为MEMS气敏元件或纳米材料气敏元件。
可选地，当所述阵列传感器芯片的数量为多组时，多组所述阵列传感器芯片用于检测至少一种目标气体。
可选地，当所述阵列传感器芯片的数量为多组时，每组所述阵列传感器芯片所检测的目标气体与其他任一组所述阵列传感器芯片所检测的目标气体均不相同。
可选地，与一种目标气体相对应的干扰气体为一种或多种。
可选地，所述干扰气体气敏元件为MEMS气敏元件或纳米材料气敏元件。
可选地，所述目标气体为CO，所述干扰气体为乙醇。
可选地，所述目标气体为甲醛，所述干扰气体为乙醇。
可选地，所述目标气体为乙醇，所述干扰气体为氨气。
可选地，所述目标气体为CH4，所述干扰气体为CO。
可选地，所述封装底座设置有焊盘。
可选地，所述纳米材料气敏元件的基底为硅基底、PCB基底、陶瓷基底等。
可选地，所述目标气体气敏元件通过导电线线与所述焊盘电性连接，所述干扰气体气敏元件通过导电线与所述焊盘电性连接。
可选地，所述目标气体气敏元件和/或所述干扰气体气敏元件通过胶黏或焊接的方式固定到所述封装底座内。
可选地，所述封装底座包括至少一个沿所述封装底座厚度方向贯穿所述封装底座的第一通道标记点。
本发明的抗干扰气体传感器，在封装底座中设置有至少一组阵列传感器芯片，每组阵列传感器芯片均包括至少一个对目标气体和干扰气体均具有第一响应的目标气体气敏元件和至少一个对干扰气体具有第二响应的干扰气体气敏元件，其中，每组阵列传感器芯片设置成当待测气体中存在与某一种目标气体相对应的干扰气体时，用于区分目标气体和干扰气体，排除干扰气体对测量结果的干扰，防止产生误报，提高目标气体的检测识别度和精确度。
进一步地，本发明的抗干扰气体传感器中设置有多组阵列传感器芯片，不同的阵列传感器芯片能够对不同的目标气体进行抗干扰检测，以实现一个传感器能够对多种目标气体进行抗干扰检测，缩小体积、降低成本。
本发明的气敏元件采用MEMS气敏元件和纳米材料气敏元件。MEMS气敏元件与传统的传感器相比，它具有体积小、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。纳米材料气敏元件不仅提高了灵敏度，而且大大降低了传感器工作温度、缩小了传感器的尺寸。因此，将上述两种气敏元件组成的阵列传感器芯片封装到陶瓷管壳中集成到一个封装底座内，不仅灵敏度好、功耗低，而且体积小，能更好的适应集成化趋势。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构图；
图2是根据本发明另一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构图；
图3是根据本发明又一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构图；
图4是根据本发明一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构简图；
图5是根据本发明另一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构简图。
图中的附图标记为：
1-封装底座，11-金属焊盘，12-第一通道标记点；
2-阵列传感器芯片，21-目标气体气敏元件，22-干扰气体气敏元件，211-气敏材料点样区，221-陶瓷基底，222-纳米材料点样区；
3-金线，4-金属丝键合点；
100-抗干扰气体传感器。
具体实施方式
由于半导体类型的气体传感器的敏感性强，所以其对很多气体都有比较明显的响应，因此抗干扰性较差，经常存在误报。比如家用的CO燃气报警器同时也会对乙醇有很好的灵敏度，但是乙醇不属于有害气体，这就造成了在实际使用过程中添加料酒等含酒精的调料时会出现误报，给很多用户造成了不必要的麻烦。针对上述问题，发明人研发出一种新的具有抗干扰功能的传感器。
图1是根据本发明一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构图。如图1所示，一种抗干扰气体传感器100，用于检测待测气体中是否存在至少一种目标气体，包括一个封装底座1和阵列传感器芯片2。封装底座1用于为阵列传感器芯片2提供安装基础。封装底座1可以为陶瓷封装底座，根据实际需求选择尺寸的大小。阵列传感器芯片2的数量至少为一组，安装于封装底座1内，其中，每组阵列传感器芯片2均包括至少一个目标气体气敏元件21和至少一个干扰气体气敏元件22。目标气体气敏元件21为MEMS气敏元件或纳米材料气敏元件，对目标气体和干扰气体均具有第一响应，干扰气体气敏元件22只对干扰气体具有第二响应。在只有第一响应发生时，抗干扰气体传感器100判定待测气体中含有目标气体；在第一响应和第二响应同时发生或只有第二响应发生时，抗干扰气体传感器100判定待测气体中含有干扰气体。上述目标气体气敏元件为MEMS气敏元件或纳米材料气敏元件
上述第一响应和第二响应均指：当待测气体中存在特定成分时(目标气体或干扰气体)，气敏元件可以将该特定成分及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与特定成分在环境中的存在情况有关的信息。
本发明的抗干扰传感器，包括至少一个对目标气体与干扰气体均具有第一响应的目标气体气敏元件和至少一个只对干扰气体具有第二响应的干扰气体气敏元件封装到同一封装底座内，当待测气体中存在能够影响目标气体测量结果的干扰气体时，目标气体气敏元件与干扰气体气敏元件相互配合，区分目标气体和干扰气体，在只有第一响应发生时，抗干扰气体传感器判定待测气体中含有目标气体，以排除干扰气体对测量结果的干扰，防止产生误报，提高目标气体的检测识别度和精确度。
在本发明的一个实施例中，当所述阵列传感器芯片的数量为多组时，多组所述阵列传感器芯片用于检测至少一种目标气体。例如，当抗干扰传感器包含三组阵列传感器芯片时，其中两组用于CO抗干扰检测，另外一组用于甲醛抗干扰检测。
进一步地，本发明的抗干扰气体传感器100中设置有多组阵列传感器芯片，每组阵列传感器芯片所检测的目标气体与其他任一组阵列传感器芯片所检测的目标气体均不相同，以实现一个传感器能够对多种目标气体进行抗干扰检测，降低成本。
在一些实施例中，与一种目标气体相对应的干扰气体为一种或多种。例如，当目标气体为甲醛时，有的甲醛气敏元件可能对甲醛、甲醇和乙醇均具有响应，此时，干扰气体为甲醇和乙醇，那么干扰气体气敏元件应该对甲醇和乙醇均具有响应。
为了更好地解释本发明，以下介绍一些具体的实施例：
实施例一
如图1中所示的抗干扰传感器100，包含封装底座1和一组阵列传感器芯片2。阵列传感器芯片2包含一个目标气体气敏元件21和一个干扰气体气敏元件22。目标气体气敏元件为CO气敏元件，CO气敏元件为MEMS气敏元件，其具有检测精度高、体积小、重量轻、成本低、功耗低等特点。一个干扰气体气敏元件22为乙醇气敏元件。乙醇气敏元件采用纳米材料气敏元件，不仅灵敏度好、功耗低，而其体积小。本实施例中的抗干扰传感器主要用于厨房，用于检测厨房中是否存在CO，避免对人身造成伤害。
MEMS气敏元件一般包括微加热器和设置于微加热器上的气敏材料。在本实施例中，气敏材料为掺杂的SnO2金属氧化物，其对CO和乙醇均出现响应。气敏材料由机器均匀涂覆于CO气敏元件21上的气敏材料点样区211内。
纳米材料气敏元件一般包括基底和设置于基底上的纳米材料，其中，纳米材料由于在常温下就具有较好的灵敏度，因此不需要设置微加热器。在本实施例中，纳米材料为金属掺杂的碳纳米管或功能化的石墨烯，由机器涂覆于乙醇气敏元件22上的纳米材料点样区222内，上述纳米材料对于乙醇则具有比较好的灵敏度，对于CO却没有响应，而且上述纳米材料的气敏元件稳定性和一致性都比较好，可以达到抗干扰的目的。另外，纳米材料气敏元件还能在常温条件下工作，尺寸也较小。纳米材料气敏元件的基底为陶瓷基底221，与陶瓷封装底座相配合，一致性好。
在该实施例中，CO气敏元件和乙醇气敏元件通过胶黏的方式固定到陶瓷封装底座内，在其他实施例中，气敏元件还可以通过焊接的方式固定到封装底座内。
参见图1，由于CO气敏元件为MEMS气敏元件，其包括微加热板和位于微加热板上的气敏材料。微加热板需要与两条加热电极电性相连，气敏材料需要与两条检测电极电性相连，因此，本实施例中CO气敏元件通过四条金线与封装底座1上的金属焊盘11电性连接。乙醇气敏元件中采用的纳米材料只需要与两条检测电极电性连接，在常温下即可工作，不需要额外的加热电极，因此，乙醇气敏元件只需要通过两条金线与封装底座1上的金属焊盘11电性连接。上述两种气敏元件与金属焊盘11均通过金线3键合到一起，金线3与气敏元件、金线3与金属焊盘11的连接点均为金属丝键合点4。
为了便于封装底座1和气敏元件的定位，封装底座1还包括至少一个沿基底厚度方向贯穿封装底座1的第一通道标记点12。
上述实施例中，将一个CO气敏元件和一个乙醇气敏元件同时封装在一个陶瓷封装底座内，可以解决乙醇气体对CO的干扰，同时缩小传感器尺寸，降低能耗。更好的适应集成化趋势。
在抗干扰气体传感器100工作时，当待测气体中有乙醇时，CO气敏元件和乙醇气敏元件均会发生响应，此时，抗干扰气体传感器100判定待测气体中含有乙醇；当待测气体中含有CO时，只有CO气敏元件发出响应，抗干扰气体传感器100判定待测气体中含有CO。
实施例二
与上述具体实施例不同的是，目标气体气敏元件21为甲醛气敏元件，干扰气体气敏元件22为乙醇气敏元件。甲醛气敏元件可以为纳米材料气敏元件，气敏材料为Pt-RGO材料。乙醇气敏元件可以为MEMS气敏元件，气敏材料为Pd-SnO2材料。在本实施例中，关于封装底座1的具体结构和气敏元件与封装底座1的连接关系等可以参考实施例一，在此不做赘述。
实施例三
图2是根据本发明另一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构图。如图2所示，与上述具体实施例不同的是，目标气体气敏元件21和干扰气体气敏元件22均为MEMS气敏元件，气敏材料分别是Pt-SnO2材料与Pd-SnO2材料。目标气体气敏元件21为CH4气敏元件，干扰气体气敏元件22为CO气敏元件。在本实施例中，关于封装底座1的具体结构和气敏元件与封装底座1的连接关系等可以参考实施例一，在此不做赘述。
实施例四
图3是根据本发明又一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构图。如图3所示，与上述具体实施例不同的是，目标气体气敏元件21和干扰气体气敏元件22均为纳米材料气敏元件，纳米材料分别为Pt-MWCNT材料与CoNi-CNT材料。目标气体气敏元件21为乙醇气敏元件，干扰气体气敏元件22为氨气气敏元件。在本实施例中，关于封装底座1的具体结构和气敏元件与封装底座1的连接关系等可以参考实施例一，在此不做赘述。
实施例五
图4是根据本发明一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构简图。如图4所示，抗干扰传感器100包含一个封装底座1和两组阵列传感器芯片2。一组阵列传感器芯片2包括一个CO气敏元件21和一个乙醇气敏元件22，该组阵列传感器芯片2用于检测CO；另一组阵列传感器芯片2包括一个甲醛气敏元件21和一个乙醇气敏元件22，该组阵列传感器芯片2用于检测甲醛。在本实施例中，还可以将一个CO气敏元件、一个乙醇气敏元件和一个甲醛气敏元件同时封装在一个陶瓷封装封装底座内，既可以分别检测CO和甲醛，又可以达到抗干扰的目的。在本实施例中，关于封装底座的具体结构和气敏元件与封装底座的连接关系等可以参考实施例一，在此不做赘述。
实施例六
图5是根据本发明另一个实施例的抗干扰气体传感器的示意性平面结构简图。如图5所示，抗干扰传感器100包含一个封装底座1和三组阵列传感器芯片2。每组阵列传感器芯片2均包含一个目标气体气敏元件21和一个干扰气体气敏元件22。任意两组阵列传感器芯片2所检测的目标气体均不相同。例如，第一组阵列传感器芯片2检测CO，第二组阵列传感器芯片2检测甲醛，第三组阵列传感器芯片2检测乙醇，与乙醇气体对应的干扰气体是氨气。在本实施例中，抗干扰气体传感器采用不同的阵列传感器芯片2能够对不同的目标气体进行抗干扰检测，以实现一个传感器能够对多种目标气体进行抗干扰检测，降低成本。在本实施例中，关于封装底座的具体结构和气敏元件与封装底座的连接关系等可以参考实施例一，在此不做赘述。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (9)
1.一种抗干扰气体传感器，用于区分目标气体和干扰气体，防止产生误报，其特征在于，包括封装底座和安装于所述封装底座内的至少一组阵列传感器芯片，其中，
每组所述阵列传感器芯片均包括至少一个目标气体气敏元件和至少一个干扰气体气敏元件，所述目标气体气敏元件配置成对所述目标气体和所述干扰气体均具有第一响应，所述干扰气体气敏元件配置成仅对所述干扰气体具有第二响应，在只有所述第一响应发生时，所述抗干扰气体传感器判定待测气体中含有目标气体；且
所述目标气体气敏元件为MEMS气敏元件或纳米材料气敏元件。
2.根据权利要求1所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，当所述阵列传感器芯片的数量为多组时，多组所述阵列传感器芯片用于检测至少一种目标气体。
3.根据权利要求1或2所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，当所述阵列传感器芯片的数量为多组时，每组所述阵列传感器芯片所检测的目标气体与其他任一组所述阵列传感器芯片所检测的目标气体均不相同。
4.根据权利要求1所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，与一种目标气体相对应的干扰气体为一种或多种。
5.根据权利要求1所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，所述干扰气体气敏元件为MEMS气敏元件或纳米材料气敏元件。
6.根据权利要求1所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，所述目标气体为CO，所述干扰气体为乙醇。
7.根据权利要求1所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，所述目标气体为甲醛，所述干扰气体为乙醇。
8.根据权利要求1所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，所述目标气体为乙醇，所述干扰气体为氨气。
9.根据权利要求1所述的抗干扰气体传感器，其特征在于，所述目标气体为CH4，所述干扰气体为CO。
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