专利名称：气体检测装置及气体检测系统的制作方法
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和气体检 测系统。
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ZnO Nanotip-based QCM Biosensors, Zheng Zhang ；Hanhong Chen ；Jian Zhong ；Ying Chen ；Yicheng Lu ； InternationalFrequency Control Symposium and Exposition,2006 IEEE, June 2006 Page(s) :545-549o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及一种气体检测系统。一种气体检测装置，其包括石英板、第一电极、第二电极及吸附层，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，所述吸附层形成于第一电极表面，所述吸附层由铱-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。—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。本技术方案中的气体检测系统，气体检测装置利用石英晶体的反压电效应，在石 英板表面形成有吸附层，所述吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，吸附层吸附气体后气体 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。
图1是本技术方案第一实施例提供的气体检测系统的示意图。
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系统的示意图。图6是图4沿VI-VI线的剖面示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本技术方案提供的气体检测装置及气体检测系统作进一步说明。请参阅图1，本技术方案施例提供的一种气体检测系统10，其包括气体检测装置 100、检测室160、频率检测装置170及处理器180。请一并参阅图2、图3及图4，气体检测装置100包括石英板110、第一电极121、第 二电极122、还原层130、吸附层140及活化层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、还原层130、吸附层140及活化层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)
Agai(1)其中，Af为对应于质量Am(g)振荡频率变化值，&为基准频率，Aqqi为电极表面 积(cm2)。第一电极121与第二电极122用于将气体检测装置100与频率检测装置170相 连。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 —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 —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 可以采用银或钼等金属制成。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。
还原层130形成于第一电极121的整个表面，其用于还原后续制作的吸附层140。 本实施例中，还原层130有金属钛制成。本实施例中，还原层130采用磁控式溅镀法制得， 具体条件为溅射功率为200瓦，真空度为0. 01托，溅镀时间为100秒至200秒，氩气的流 量为8标准毫升每分钟。制得的还原层130的厚度为50纳米至1000纳米之间，优选为60 纳米至250纳米之间。吸附层140形成于还原层130，其用于吸附待检测的气体。吸附层140由铱-二氧 化铱纳米棒(Ir-IrO2 nanorods)组成。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。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。具体的，首 先，采用金属有机化学气相淀积金属有机化学气相淀积法制备二氧化铱纳米棒。提供一反 应腔，反应腔内反应气体氧气的流速为80标准毫升每分钟，将还原层130置于反应腔内并 使其表面加热至350摄氏度。采用的前驱物为(甲基环戊二炔)(1，5环辛二烯)铱，前驱 物挥发的温度为80摄氏度至120摄氏度，挥发的气体注入反应腔内。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，从而使得在还原层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。然后，采用高温真空热处理的方式将二氧化铱纳米棒中的部分氧脱去，从而形成 铱_ 二氧化铱纳米棒层。具体为，在真空度为5X 10_3帕时，还原温度为450摄氏度至600 摄氏度，还原时间为30分钟至90分钟，使得二氧化铱层中的部分氧在此条件下与还原层 130中的钛结合进入至钛的晶格内，使得钛被氧化，从而使得部分二氧化铱被还原为铱-二 氧化铱的混合。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，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吸附 层140时，会被吸附层140吸收。为实施例中，为了增加气体检测装置100的检测气体的灵敏度及延长气体检测装 置100的使用寿命，在吸附层140的表面形成有活化层150。活化层150由金属金制成。通 过在吸附层140表面溅镀金形成。活化层150的厚度很小，仅为单层或几层金原子的厚度。 本实施例中，通过溅镀金的时间控制活化层150的厚度，活化层150溅镀的时间为10秒至 150秒，优选为30秒。在活化层150的制作过程中，需要控制溅镀时间，以防止溅镀时间长， 金层过厚使得吸附的气体不易脱离。活化层150可以对气体形成共吸收。首先酸性气体 中的氧会吸附在Au表面形成配位键，而酸性气体中的氢与二氧化铱中的氧形成氢键，另一 部分酸性气体中的氧会吸附于二氧化铱中的铱；酸性气体中的氢与二氧化铱中的氧产生氢 键，形成共吸附，从而可以提高气体检测装置100的灵敏度。检测室160用于收容检测气体和气体检测装置100，以使得气体检测装置100检测检测室160内的气体。检测室160为圆柱形，其具有顶壁161、底壁162和侧壁163。顶 壁161、底壁162和侧壁163围成圆柱形的收容腔164，收容腔164用于收容气体。本实施 例中，在检测室160的侧壁163开设有入气孔165和排气孔166，入气孔165用于向收容腔 164内注入气体，排气孔166用于将检测腔164内的气体排出。
气体检测装置100的第一电极121与第二电极122通过导线穿过检测腔160的顶 壁161与频率检测装置170相连，以检测气体检测装置100的频率。频率检测装置170与处理器180相连，以实时观测频率检测装置170检测到的气 体检测装置100的频率变化，并根据气体检测装置100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10进行气体检测，首先，测定气体检测装置100的基准频率。通 过入气孔165向检测腔164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100吸附。通过处理器180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f0。停止注入背景气体。然后，检测气体检测装置100吸附检测气体后的频率值。通过入气孔165向检测 腔内注入检测气体，并使得排气孔166处于开启状态，以示的检测气体进入检测腔164的同 时，背景气体可以从排气孔166逸出，通过持续向检测腔164内注入检测气体，使得检测腔 164内背景气体的浓度逐渐变小直到接近为零，检测腔164内的气体为检测气体，从而，气 体检测装置100吸附的背景气体被检测气体替代。处理器180显示频率趋于稳定时，频率 数值记为Π，即为气体检测装置100吸附检测气体后其质量变化而对应变化后的频率。停 止注入检测气体。最后，对气体检测装置100进行脱吸附。保持排气孔166处于开启状态，从入气孔 165注入背景气体，直到检测腔164内的检测气体的浓度变小至接近于零，从而气体检测装 置100吸附的检测气体的浓度也接近于零，而使得处理器180显示的读数与基准频率相等 或者相近。得到f 1与f0的差值处理器180根据检测得到f 1与f0的差值，计算得到检测气 体的浓度。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愈大，表明气体 检测系统100的灵敏度愈高。脱吸附后的频率值与基准频率的差值越小，气体检测装置100 能够脱吸附完全，表明气体检测装置100可重复使用的次数愈多，寿命愈长。从基本频率变 化至检测气体吸附稳定频率用时愈短，表明气体检测装置100的应答时间愈短。本实施例中的气体检测系统10，通过公式1可以看出，由于吸附气体质量变化很 少就会导致通过处理器180观测的频率的数值产生很大变化，因此，气体检测系统10具有 很高的灵敏度。请一并参阅图5及图6，本技术方案第二实施例提供的气体检测系统，其结构与本 技术方案第一实施例提供的气体检测系统10的结构相近，气体检测系统的气体检测装置 200包括石英板210，形成于石英板210两相对表面的第一电极221和第二电极222，不同之 处在于，气体检测装置200的第一电极221的表面形成有第一还原层231，第一吸附层241 形成于第一还原层231上，第一或活化层251形成于第一吸附层241上。在第二电极222的 表面也形成有第二还原层230，第二吸附层242形成于第二还原层232上，第二活化层252 形成于第二吸附层241上。检测室260的外围设置有保温层261，保温层261用于向检测 室260的顶壁262、侧壁263及底壁264提供热源，使得检测腔265保持一定的温度。本实 施例中，保温层261内收容有一定温度的水，使得检测腔265内的温度保持稳定。在检测室 260内，设置有加热板266，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266通过支撑柱269设置于底壁264上。
本实施例中的气体检测系统20可以用于液体产生的气体的检测。下面具体说明 其使用方法首先，测定气体检测装置200的基准频率。通过入气孔267向检测腔265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200吸附。通过处理器280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f0。停止注入背景气体。然后，检测气体检测装置200吸附检测液体产生的气体后的频率值。从用注射器 等辅助装置通过入气孔267向检测腔265加热板266上注入检测液体，控制加热板266的温 度，使得检测液体挥发或者分解，由于保温层261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268处于开启状态，以使得检测液体逐渐分散于检测腔265同时，背 景气体可以从排气孔268逸出，通过持续向检测腔265内注入检测液体并产生气体，使得检 测腔265内背景气体的浓度逐渐变小直到接近为零，检测腔265内的气体为检测液体产生 的气体，从而，气体检测装置200吸附的背景气体被检测液体产生的气体替代。处理器280 显示频率趋于稳定时，频率数值记为Π，即为气体检测装置200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200进行脱吸附。保持排气孔268处于开启状态，从入气孔 267注入背景气体，直到检测腔265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200吸附的检测气体的浓度也接近于零，而使得处理器280显示的读数与基 准频率相等或者相近。本实施例中，由于石英板210的相对两面均形成有吸附层，则与检测气体接触的 表面增加，因此可以增加气体检测装置200的灵敏度。另外，由于本实施例中设置加热板 266，其可以加热液体使其挥发或者分解，并且检测室260外围设置有保温层261，可以保证 检测液体产生的气体能够保持气体状态，所以检测装置200可以进行液体的检测。本技术方案中，气体检测装置采用石英板，在其表面形成有吸附层，吸附层吸附气 体后质量发生变化，从而导致气体检测装置的频率发生改变，通过频率检测装置量测气体 检测装置的频率的变化，通过处理器处理后便可得到液体产生的气体的浓度。因而，本技术 方案的气体感测装置具有很高的灵敏度。另外，当检测气体后可以通过通入背景气体的方 式使得被吸附的气体脱吸，使得气体检测系统可以具有高的稳定性和测量的准确度。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。
权利要求
一种气体检测装置，其包括石英板、第一电极、第二电极及吸附层，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，所述吸附层形成于第一电极表面，所述吸附层由铱-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，所述吸附层还形成于第二电极的 表面。
3.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述吸附层的表面还形成有活化 层，用于增强吸附层的吸附活性。
4.如权利要求3所述的气体检测装置，其特征在于，所述活化层由金组成。
5.如权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述吸附层的厚度为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，所述第一电极与吸附层之间还形 成有还原层，所述还原层用于还原吸附层中的二氧化铱。
8.如权利要求7所述的气体检测装置，其特征在于，所述还原层由钛组成，所述还原层 的厚度为50纳米至1000纳米。
9.一种气体检测系统包括如权利要求1至8任一项所述的气体检测装置，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。
10.如权利要求9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。
11.如权利要求9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。
12.如权利要求9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。
全文摘要
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，所述吸附层形成于第一电极表面，所述吸附层由铱-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。
文档编号G01N5/02GK101846610SQ20091030109
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月24日 优先权日2009年3月24日
发明者裴绍凯 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司