CN101871904B - 气体检测装置、气体检测系统及气体检测装置的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体检测装置，其包括石英板、第一电极、第二电极、第一活化层及吸附层，所述石英板具有相对的第一表面和第二表面，所述第一电极形成于第一表面，所述第二电极形成于第二表面，所述第一活化层形成于第一电极表面，所述第一活化层形的材料为氧化铜，用于活化所述吸附层。所述吸附层形成于第一活化层表面，所述吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，所述吸附层用于吸附待检测气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而获得待检测气体的浓度。

Description

气体检测装置、气体检测系统及气体检测装置的制作方法

技术领域

本发明涉及检测装置领域，尤其涉及一种用于气体检测的气体检测装置、气体检测系统及气体检测装置的制作方法。

背景技术

随着如重工业、纺织业、塑料化工等产业的迅速发展，使得人们的生活需要得到了满足，同时，也产生了很多危害人们身体健康的气体。这些气体中的很多种如甲醛、一氧化碳等无嗅无味，使得人们在不知不觉中身体受到伤害，环境受到污染。因此，具有感测有害气体的感测器产生了，并得到了广泛的应用。请参阅文献ZnONanotip-based QCM Biosensors，Zheng Zhang;Hanhong Chen;JianZhong;Ying Chen;Yicheng Lu;International Frequency ControlSymposium and Exposition,2006 IEEE，June 2006 Page(s):545–549。

然而，目前使用的气体检测系统存在着灵敏度低、选择性差、稳定性差或者不能长期使用的问题，使得气体的感测存在误差。

发明内容

因此，有必要提供一种气体检测装置及气体检测系统，所述气体检测装置、气体检测系统及所述气体检测装置的制作方法，所述气体检测装置及气体检测系统具有灵敏度高及稳定性佳的特点。以下将以实施例说明一种气体检测装置、一种气体检测系统及所述气体检测装置的制作方法。

一种气体检测装置，其包括石英板、第一电极、第二电极、第一活化层及第一吸附层，所述石英板具有相对的第一表面和第二表面，所述第一电极形成于第一表面，所述第二电极形成于第二表面，所述第一活化层形成于第一电极表面，所述第一活化层形的材料为氧化铜，用于活化第一吸附层。所述第一吸附层形成于第一活化层表面，所述第一吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，所述第一吸附层用于吸附待检测气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而获得待检测气体的浓度。

一种气体检测系统包括：所述气体检测装置，其用于吸附气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而使其振荡频率发生变化；检测室，其用于放置气体检测装置，并用于通入待检测气体，以使得气体检测装置吸附待检测气体；频率检测装置，其连接于所述第一电极与第二电极，用于检测气体检测装置的振荡频率，以根据气体检测装置的振荡频率的变化获得待检测气体的浓度。

一种气体检测装置的制作方法包括：一种气体检测装置的制作方法，包括：提供一个石英板，所述石英板具有相对的第一表面和第二表面；在所述石英板的第一表面形成第一电极，在石英板的第二表面第二电极；在第一电极的表面通过化学气相沉积法形成第一活化层，所述第一活化层的材料为氧化铜；在第一活化层的表面通过金属有机化学气相沉积法形成二氧化铱纳米棒层；高温还原所述二氧化铱纳米棒层中的部分二氧化铱，形成由铱-二氧化铱纳米棒形成的第一吸附层，从而得到气体检测装置。

本技术方案中的气体检测系统以及气体检测装置利用石英晶体的反压电效应，在石英板表面形成有第一吸附层及第一活化层，所述第一吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，所述第一活化层由氧化铜组成，所述第一活化层在进行吸附气体的过程中活化第一吸附层，第一吸附层吸附待检测气体后气体检测装置的质量发生变化，从而导致气体检测装置的振荡频率发生改变，因而通过频率检测装置量测气体检测装置的频率的变化，通过计算处理，便可检测待检测气体。因而，本技术方案的气体检测装置及气体检测系统具有很高的灵敏度。本技术方案提供的气体检测装置的制作方法具有简单、方便及易于控制的特点。

附图说明

图1是本技术方案第一实施例提供的气体检测装置的示意图。

图2是图1沿II-II线的剖面示意图。

图3是图1沿III-III线的剖面示意图。

图4是气体检测装置的扫描电子显微镜的剖面示意图。

图5是本技术方案第二实施例提供的气体检测装置的示意图。

图6是本技术方案提供的气体检测系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及多个实施例对本技术方案提供的气体检测装置、气体检测系统及气体检测装置的制作方法作进一步说明。

请一并参阅图1及图2，气体检测装置100包括石英板110、第一电极121、第二电极122、第一活化层130、第一吸附层140及第二活化层150。

石英板110由石英晶体制成，其用于作为镀膜基体，以在其上形成第一电极121、第二电极122、第一活化层130、第一吸附层140及第二活化层150。石英板110可以为长方体形或圆柱形等形状。本实施例中，石英板110为圆柱形，其具有相对的第一表面111和第二表面112。第一表面111与第二表面112均为圆形平面。石英板110具有反压电效应，即给其一个电场，在晶体某些方向则会出现应变，如果电场是交变电场，则在晶格内引起机械振荡，并且其产生的机械振荡的频率与其施加的交变电场的频率相等。因此，在压电石英晶体施加一定频率的交变电场便可获得石英晶体的初始振荡频率。另外，当石英压电晶体的质量发生变化时，即在石英压电晶体表面吸附或者紧密结合其它物体时，则石英晶体震荡的频率发生变化，其频率变化与吸附在石英晶体表面的物体的质量遵循如下关系式（Sauerbery，1959)：

$\mathrm{\Δf}=-2.3\×{10}^{-6}{f}_o^2\left(\frac{\mathrm{\Δm}}{A_{\mathrm{QCM}}}\right)---\left(1\right)$

其中，Δf为对应于质量Δm(g)振荡频率变化值，f₀为基准频率，A_QCM为电极表面积(cm2)。

第一电极121和第二电极122用于将气体检测装置100与外界频率检测装置相连接，以检测气体检测装置100的频率。第一电极121包括第一电极主体1211和第一延伸部1212。第一电极主体1211形成于石英板110的第一表面111，并且覆盖第一表面111的中心。第一延伸部1212与第一电极主体1211一体成型，并延伸至第一表面111的边缘处，以方便第一电极主体1211其他电路连接。第二电极122包括第二电极主体1221和第二延伸部1222。第二电极主体122形成于石英板110的第二表面112，并且覆盖第二表面112的中心位置与第一电极主体1211相对。第二延伸部1222与第二电极主体1221一体成型，并延伸至第二表面111的边缘处，以方便第二电极主体1221其他电路连接。第一电极主体1211与第二电极主体1221均为圆形，其直径可以根据石英板110的大小设定，本实施例中，第一电极主体1211和第二电极主体1221的直径为0.38厘米，第一电极主体1211和第二电极主体1221的厚度为0.05微米至1微米，优选为0.1微米至0.3微米。第一电极121及第二电极122均采用金制作，当然可以采用银或铂等金属制成。第一电极121及第二电极122可以采用溅镀的方式形成于石英板110的第一表面111和第二表面112。

第一活化层130形成于第一电极121的整个表面。第一活化层130由氧化铜组成。第一活化层130用于活化后续制作的第一吸附层140。第一活化层130厚度为10纳米至20纳米。

请参见图4，第一吸附层140形成于第一活化层130上，其用于吸附待检测的气体。第一吸附层140由铱-二氧化铱纳米棒（Ir-IrO2nanorods）组成。第一吸附层140的厚度为100纳米至2微米之间，优选为400纳米至600纳米。第一吸附层140通过金属有机化学气相淀积金属有机化学气相淀积法形成形成二氧化铱纳米棒层，然后高温还原二氧化铱形成铱-二氧化铱纳米棒层。第一吸附层140具有疏松的结构，另外，铱-二氧化铱纳米棒吸附酸性气体会形成具有Ir-OH的活性表面，铱-二氧化铱纳米棒吸附酸性气体会形成具有Ir-NH的活性表面。从而，第一吸附层140对酸性气体及胺类气体具有吸附特性。当酸性气体或者胺类气体通过第一吸附层140时，会被第一吸附层140吸收。

第二活化层150形成于第一吸附层140上。第二活化层150也由氧化铜组成，其厚度也为10纳米至20纳米。第二活化层150也用于活化吸附层150，在进行气体检测时，并与第一吸附层140共同吸附检测气体。

第一活化层130和第二活化层150均与第一吸附层140相邻，第一活化层130与第二活化层150中的氧化铜中的铜易与与其相邻的第一吸附层140中的二氧化铱作用，铜与二氧化铱中的氧结合，使得二氧化铱中产生晶格空缺，从而在进行气体吸附的过程中，增加了第一第一吸附层140吸附气体的能力，从而使得气体检测装置100的灵敏度提高。

请参见图5，本技术方案第二实施例提供的气体检测装置200，其结构与第一实施例提供的气体检测装置100的结构相近，不同之处在于：气体检测装置200的第一电极221的表面形成有第一活化层231，第一吸附层241形成于第一活化层231上，第二活化层251形成于第一吸附层241上。在第二电极222的表面也形成有第三活化层232，第二吸附层242形成于第三活化层232上，第四活化层252形成于第二吸附层242上。

本实施例中，第一电极221和第二电极222的表面均形成有吸附层，可以提成气体检测装置200检测气体时的信号强度，气体检测装置200具有很高的灵敏度。

本技术方案第三实施例提供一种气体检测装置的制造方法，下面以制造第一实施例中的气体检测装置100为例进行说明。参阅图2，气体检测装置100的制造方法包括如下步骤:

第一步，提供石英板110，石英板110具有相对的第一表面111和第二表面112。

第二步，在石英板110的第一表面111制作第一电极121，在石英板110的第二表面112制作第二电极122。首先，将石英板110的第一表面111不需形成第一电极121的区域及第二表面112不需形成第二电极122的区域采用遮蔽膜进行遮蔽。然后，采用溅镀的方式在石英板110未进行遮蔽的区域形成第一电极121和第二电极122。

第三步，在第一电极121的表面形成第一活化层130。首先，遮蔽第二电极122的整个表面，以避免后续制作第一活化层130时氧化铜层形成于第二电极122的表面。然后，将进行遮蔽后的石英板110放置于化学气相沉积反应腔内的黄铜基板上，使得第二电极122的遮蔽膜与黄铜基板接触，第一电极121暴露于反应腔内。最后，升高黄铜基板的温度至350摄氏度，向反应腔内通入反应气体氧气，通入氧气的体积流量为80至100标准毫升每分钟，反应腔内的真空度为小于1帕，反应时间为10分钟。在此条件下，氧气与黄铜反应生成的氧化铜蒸气扩散至第一电极121的表面，从而形成第一活化层130。

第四步，在第一活化层130表面形成二氧化铱纳米棒薄膜。采用金属有机化学气相沉积金属有机化学气相淀积法制备二氧化铱纳米棒。向反应腔内继续通入反应气体氧气，体积流量为100标准毫升每分钟，并保持反应腔内温度350摄氏度。向反应腔内通入前驱物为（甲基环戊二炔）（1，5环辛二烯）铱气体，前驱物挥发的温度为80摄氏度至120摄氏度。反应腔内挥发的前驱物的蒸汽与氧气到达还原层的表面并发生反应，从而使得在第一活化层130的表面形成一层二氧化铱纳米棒薄膜。反应过程中反应腔内的真空度为7.1托至7.3托。本实施例中，二氧化铱纳米棒薄膜的沉积时间为1小时。

第五步，在所述二氧化铱纳米棒薄膜表面形成第二活化层150。

停止向反应腔内通入前躯物气体，保持氧气继续通入，并持续10分钟，使得二氧化铱纳米棒薄膜表面形成由氧化铜组成的第二活化层150。

第六步，高温还原所述二氧化铱纳米棒薄膜中的部分二氧化铱，形成由铱-二氧化铱纳米棒组成的第一吸附层140。停止通入反应气体氧气，并使得反应腔内的温度达到500至600摄氏度，反应腔内真空度为5×10-3帕时，还原时间为1小时。使得二氧化铱层中的部分氧在此条件下被脱除，从而使得部分二氧化铱纳米棒被被还原为铱，从而形成由铱-二氧化铱纳米棒形成的第一吸附层140。

第七步，去除遮蔽膜，从而形成气体检测装置100。

在上述的气体检测装置100的制造方法中，石英板110形成第一电极121和第二电极122并进行遮蔽后，只需改变反应腔内的温度及真空度，并根据需要通入气体便可，无需将石英板从反应腔内取出，因此，本实施例提供的制造气体检测装置的方法具有简单、快速、易于控制的特点。

本技术方案还提供一种采用上述气体检测装置的气体检测系统，下面以包括第一实施例提供的气体检测装置的气体检测系统为例进行说明。

请参见图6，气体检测系统300包括检测室310、气体检测装置320、频率检测装置330及处理器340及。检测室310用于收容检测气体和气体检测装置320，以使得气体检测装置320检测检测室310内的气体。检测室310为圆柱形，其具有顶壁311、底壁312和侧壁313。顶壁311、底壁312和侧壁313围成圆柱形的检测腔314，收检测314用于收容气体。本实施例中，在检测室310的侧壁313开设有入气孔315和排气孔316，入气孔315用于向收容腔314内注入气体，排气孔316用于将检测腔314内的气体排出。

本实施例中，检测室310的外围设置保温层317，保温层317用于向检测室310的顶壁311、侧壁313及底壁312提供热源，使得检测腔314保持一定的温度。本实施例中，保温层317内收容有一定温度的水，使得检测腔314内的温度保持稳定。在检测室310内，设置有加热板318，用于加热检测的液体，使其挥发或分解，产生气体。本实施例中，加热板318通过支撑柱319设置于底壁312上。

气体检测装置320的第一电极与第二电极通过导线穿过检测腔310的顶壁311与频率检测装置330相连，以检测气体检测装置320的频率。

频率检测装置330与处理器340相连，以实时观测频率检测装置330检测到的气体检测装置320的频率变化，并根据气体检测装置320的振荡频率的变化计算获得待检测气体的浓度。

采用气体检测系统300进行气体检测，首先，测定气体检测装置310的基准频率。通过入气孔315向检测腔314内注入背景气体如氮气，注入背景气体的体积流量可以为10标准毫升每分钟，使得氮气被气体检测装置310吸附。通过处理器340观测其显示的频率数值的变化，当频率数值稳定后，此时频率数值的读数记为基准频率f0。停止注入背景气体。

然后，检测气体检测装置310吸附检测气体后的频率值。本实施例中，以检测己胺为例进行说明。从用注射器等辅助装置通过入气孔315向检测腔314内加热板318上注入检测液体己胺，控制加热板318的温度，使得检测液体挥发或者分解，由于保温层317具有保温作用，使得检测液体产生的气体冷凝。同时使得排气孔316处于开启状态，以使得检测液体逐渐分散于检测腔314同时，背景气体可以从排气孔316逸出，通过持续向检测腔314内注入检测液体己胺并产生气体，使得检测腔314内背景气体的浓度逐渐变小直到接近为零，检测腔315内的气体为检测液体产生的气体，从而，气体检测装置320吸附的背景气体被检测液体产生的气体替代。处理器340显示频率趋于稳定时，频率数值记为f1，即为气体检测装置320吸附检测液体挥发的气体后其质量变化而对应变化后的频率。停止注入检测液体。

最后，对气体检测装置320进行脱吸附。保持排气孔316处于开启状态，从入气孔315注入背景气体，直到检测腔314内的检测液体挥发的气体的浓度变小至接近于零，从而气体检测装置320吸附的检测气体的浓度也接近于零，而使得处理器340显示的读数与基准频率相等或者相近。

处理器340根据检测得到f1与f0的差值，计算得到检测气体的浓度。本实施例中，得到吸附后检测频率f1与基准频率f0的差值可以达到1970Hz，从基准频率变化至吸附后检测频率f1的80%的时间仅为40秒，而气体检测装置100在脱吸附过程中上升的频率与吸附己胺过程中下降的频率的比值为86%。因而，在上述的检测过程中，基本频率与吸附检测气体后的频率的差值大，表明气体检测系统320的灵敏度愈高。从基准频率变化至吸附后检测频率f1的80%的时间短，表明气体检测装置320的应答时间短。气体检测装置在脱吸附过程中上升的频率与吸附己胺过程中下降的频率差值愈小，表明气体检测装置能够脱吸附较完全，表明气体检测装置可重复使用的次数愈多，寿命愈长。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种气体检测装置，其包括石英板、第一电极、第二电极、第一活化层及第一吸附层，所述石英板具有相对的第一表面和第二表面，所述第一电极形成于第一表面，所述第二电极形成于第二表面，所述第一活化层形成于第一电极表面，所述第一活化层的材料为氧化铜，用于活化第一吸附层，所述第一吸附层形成于第一活化层表面，所述第一吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，用于吸附待检测气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而获得待检测气体的浓度。

2.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述气体检测装置进一步包括第三活化层和第二吸附层，所述第三活化层形成于第二电极的表面，第二吸附层形成于第三活化层表面。

3.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一吸附层的表面还形成有第二活化层，所述第二活化层用于增强第一吸附层的吸附活性。

4.如权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，所述第二活化层的材料为氧化铜。

5.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一吸附层的厚度为100纳米至2微米。

6.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一吸附层的厚度为400纳米至600纳米。

7.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一活化层的厚度为10纳米至20纳米。

8.一种气体检测系统，包括：

如权利要求1至7任一项所述的气体检测装置，其用于吸附待检测气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而使其振荡频率发生变化；

检测室，其用于放置气体检测装置，并用于通入待检测气体，以使得气体检测装置吸附待检测气体；

频率检测装置，其连接于所述气体检测装置的第一电极与第二电极， 用于检测气体检测装置的振荡频率，以根据气体检测装置的振荡频率的变化获得待检测气体的浓度。

9.如权利要求8所述的气体检测系统，其特征在于，所述检测室内还设置有加热板，用于加热液体以产生待检测气体。

10.如权利要求8所述的气体检测系统，其特征在于，所述检测室的外围设置有保温层，用于防止待检测气体冷凝。

11.如权利要求8所述的气体检测系统，其特征在于，所述气体检测系统还包括与频率检测装置相连接的处理器，用于根据气体检测装置的振荡频率的变化计算获得待检测气体的浓度。

12.一种气体检测装置的制作方法，包括：

提供一个石英板，所述石英板具有相对的第一表面和第二表面；在所述石英板的第一表面形成第一电极，在石英板的第二表面形成第二电极；

在第一电极的表面通过化学气相沉积法形成第一活化层，所述第一活化层的材料为氧化铜；

在第一活化层的表面通过金属有机化学气相沉积法形成二氧化铱纳米棒层；

高温还原所述二氧化铱纳米棒层中的部分二氧化铱，形成由铱-二氧化铱纳米棒形成的第一吸附层，从而得到气体检测装置。

13.如权利要求12所述的气体检测装置的制作方法，其特征在于，在进行高温还原二氧化铱纳米棒层中的部分二氧化铱之前，还包括在二氧化铱纳米棒层表面形成第二活化层的步骤。 

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