基于低温共烧陶瓷基板的无源无线气体传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感器领域，具体涉及一种基于低温共烧陶瓷基板的无源无线气体传感器。
【背景技术】
[0002]气体传感器在环境监测、安全防护、工业生产、汽车、医疗、航空航天等领域有非常广泛的应用。无源无线的气体传感器不需要电池供电和信号线路连接，具有结构简单、使用寿命长、易维护等优点。以射频识别标签为代表的LC谐振天线制备工艺灵活，可以集成到陶瓷、塑料、纸、纤维布等各种载体上，其工作频率范围可以从几百kHz到几十GHz，甚至可以达到THz。基于LC谐振天线的无线气体传感器主要通过与天线相连的气敏材料电容、电阻等的变化调制天线的阻抗参数实现信号的探测。采用低温共烧陶瓷(Low TemperatureCo-fired Ceramic, LTCC)技术制成的LC谐振传感器在无线温度传感器、压力传感器、气体传感器等方面有着广泛的应用，尤其是在高温恶劣环境中的应用具有独特的技术优势，另夕卜，作为无源集成的主流技术，LTCC还有利于气体传感器的小型化和集成化应用。
[0003]在已公开的专利申请201310585121.2中，采用SWNT/ZnO气敏膜的LTCC无线气体传感器对C02，O2,册13等气体具有较好的响应，但其测量范围和灵敏度有限，这主要与气敏材料有较大的关系。由金属硫族化合物构成的二维纳米气敏材料灵敏度高，易于实现集成，近年来在纳米技术和微加工技术的推动下得到了快速的发展和应用。由金属硫族化合物气敏材料制成的传感器的工作原理是待测气体与气敏材料在材料的表面发生作用，俘获或释放出载流子，使气敏材料的电阻发生改变而产生气敏响应信号。基于金属硫族化合物SnS2,MoS2, WS2等二维纳米材料的气体传感器在室温下表现出优良的选择性、快速的响应、对低浓度信号的敏感性等气敏特性，这使其特别适合于无源无线气体传感器应用。但是，目前还没有关于将金属硫族化合物与LTCC无源无线气体传感器相结合的报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种LTCC无源无线气体传感器及其制备方法，该LTCC无源无线气体传感器尤其是对順3和NO 2等污染有毒性气体具有较高的灵敏度，以解决现有LTCC气体传感器测量范围和灵敏度受限等问题，也为气体传感器的设计提供一个新的思路。
[0005]在此，一方面，本发明提供一种基于低温共烧陶瓷基板的无源无线气体传感器，其包括:低温共烧陶瓷基板、形成于所述低温共烧陶瓷基板上的LC谐振天线、以及涂覆于所述LC谐振天线上的由金属硫族化合物构成的气敏膜。
[0006]与现有技术相比，本发明将金属硫族化合物的二维纳米材料与LTCC无源无线气体传感器相结合，利用待测气体与气敏材料在材料的表面发生作用，俘获或释放出载流子，使气敏材料的电阻发生改变而产生气敏响应信号。本发明对順3和NO 2等污染有毒性气体具有较高的灵敏度，进一步拓展LTCC无源无线气体传感器的气敏范围，提高LTCC无源无线气体传感器的测量范围和灵敏度。
[0007]较佳地，所述低温共烧陶瓷基板的厚度为0.5mm?2.0mm,所述低温共烧陶瓷基板的组份包括CaO-Al2O3-B2O3-S12玻璃和Al 203陶瓷。
[0008]较佳地，所述LC谐振天线由银电极材料构成，所述LC谐振天线包括平面螺旋电感和平面叉指电容，所述气敏膜涂覆于所述平面叉指电容的表面上。
[0009]较佳地，所述金属硫族化合物为SnS2、MoS2、和吧2中的至少一种。
[0010]较佳地，所述气敏膜为二维纳米材料，所述气敏膜的厚度为5 μ m?10 μ m。
[0011]较佳地，在所述LC谐振天线的电感电极引出端和电容电极引出端分别具有通孔，在所述通孔内灌注有银电极，并在所述低温共烧陶瓷基板的背面具有将所述通孔连接的银电极连接线，以此形成LC谐振回路。
[0012]另一方面，本发明提供上述基于低温共烧陶瓷基板的无源无线气体传感器的制备方法，包括如下步骤:
(1)在低温共烧陶瓷生瓷带材料表面通过丝网印刷工艺印制LC谐振天线的电极图案，并将未印刷面和多片空白生瓷带叠在一起，进行成型以形成素坯；
(2)在所得的素坯的电感电极引出端和电容电极引出端分别打孔，在两个孔内灌注银浆，并在素胚背面网印银电极浆料将两个通孔连接，以此形成LC谐振回路；
(3)将形成有LC谐振回路的素坯进行烧结，以此获得基于低温共烧陶瓷基板的LC谐振天线；
(4)将含有金属硫族化合物的浆料涂覆于LC谐振天线的表面后进行干燥，以在LC谐振天线的表面均匀涂覆由金属硫族化合物构成的气敏膜。
[0013]较佳地，步骤(I)中，所述成型是在压力为40?50MPa，温度为60?80°C的条件下热等静压成型。
[0014]较佳地，步骤(3)中，所述烧结是以I?2°C/分钟升温至400?500°C保温40?80分钟以排除有机物后继续以5?10°C /分钟升温至850?900°C保温15?30分钟进行执?士
[0015]较佳地，步骤(4)中，所述浆料是将金属硫族化合物二维纳米片与低级醇按照1:1?1: 1.5的比例混合均匀而形成的浆料。
[0016]本发明结构设计和制备工艺简单，可有效降低生产成本，有利于实现气体传感器的小型化和集成化。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的正面结构示意图；
图3为本发明的背面结构示意图；
图4为本发明的截面结构示意图；
图5为本发明对顯3和NO 2等气体的敏感度测试结果。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0019]本发明的基于低温共烧陶瓷的无源无线气体传感器包括低温共烧陶瓷基板、LC谐振天线、以及由金属硫族化合物构成的气敏膜材料，其中LC谐振天线形成于低温共烧陶瓷基板上，气敏膜材料形成于LC谐振天线上。
[0020]其中，低温共烧陶瓷基板的厚度可为0.5mm?2.0mm0低温共烧陶瓷基板可由低温共烧陶瓷生瓷带材料烧结而成，低温共烧陶瓷生瓷带材料的结构不限，只要能与银电极浆料匹配共烧即可，优选为可在850?900°C下与银电极浆料匹配共烧。在一个示例(参见CN103482985A)中，低温共烧陶瓷基板由CaO-Al2O3-B2O3S12玻璃和Al 203陶瓷复合的低温共烧陶瓷生瓷带材料烧结形成。CaO-Al2O3-B2O3S12玻璃和Al 203陶瓷的重量比可为2:3?3:2。CaO-Al2O3-B2O3S12玻璃中各组分的重量百分含量如下:15?25wt% Ca0，5?20wt%Al2O3, 5 ?25wt % B2O3, 30 ?45wt % S12,0 ?3wt % CuO。
[0021]LC谐振天线可由平面螺旋电感和平面叉指电容组成，其材料可采用银电极材料构成。g卩，LC谐振天线可以是采用银电极浆料印刷在LTCC基板正面。
[0022]由金属硫族化合物构成的气敏膜材料可以涂覆在LC谐振天线的叉指电容电极表面。金属硫族化合物的种类不限，只要具有气敏特性即可，包括但不限于SnS2、MoS2、和WS2中的至少一种。另外，该气敏膜材料优选为二维纳米结构。其厚度可为5 μπι?10 μπι。
[0023]在LC谐振天线的电感电极引出端和电容电极引出端可分别具有通孔，在通孔内灌注有银电极，并在低温共烧陶瓷基板的背面具有将通孔连接的银电极连接线，以此形成LC谐振回路。
[0024]图1、图2分别示出本发明一个示例的整体结构示意图和正面结构示意图，如图1和图2所示，基于低温共烧陶瓷的无源无线气体传感器自上而下包括金属硫族化合物的二维纳米气敏膜1，由平面螺旋电感3和平面叉指电容4组成的LC谐振天线，LTCC基板2。图
3、图4分别示出本发明一个示例的背面结构示意图和截面结构示意图，如图3、4所示，电感电极引出端的通孔5和电容电极引出端的通孔6内灌注银电极7，并在LTCC基板背面通过银电极连接线8形成LC谐振回路。
[0025]本发明的工作原理主要是利用待测气体与气敏材料在材料的表面发生作用，俘获或释放出载流子，使气敏材料的电阻发生改变，进而使传感器的阻抗参数发生变化，通过外部读取天线对阻抗参数的采集和分析，实现对待测气体的无源无线检测。所述传感器对NH3和~02等气体的敏感度测试结果如图5所示，可以看出，通过与所述传感器在空气下采集到的阻抗相位角信号相比，所述传感器在順3和NO2中的采集到的阻抗相位角分别减小和增大，以此可以达到识别不同的气体目的，同时，所述传感器表现出较高的灵敏度。
[0026]本发明的基于低温共烧陶瓷基板的无源无线气体传感器可由低温共烧陶瓷技术制备得到。在一个示例中，其制备方法如下。
[0027](I)在低温共烧陶瓷生瓷带材料表面，通过丝网印刷工艺印制由平面螺旋电感和平面叉指电容组成的LC谐振天线的电极图案，并和多片(例如4片)空白生瓷带叠在一起，在压力为40?50M