无线无源气体、温度双参数传感器及其制备方法与流程

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种无线无源气体、温度双参数传感器及其制备方法。

背景技术：

随着社会经济的发展，工业化的进行，越来越多的有毒气体不断出现，威胁着对人类的生存和健康。目前大多数的气体传感器都是金属氧化物气体传感器，具有较高的灵敏度，响应迅速和使用简单等特点，但其稳定性较差，较低的可重复使用率等，而且传统的气体传感器都是有源的，需要电源供电，这样导致了传感器寿命年限短，不能在高温下工作，其应用领域受到了很大的限制。近年来，随着无线无源技术的发展以及环保生活的提倡，无线无源气体传感器已经成为了未来研究的新方向。

技术实现要素：

本发明为解决现有气体传感器稳定性差、重复使用率低及需要电源供电导致传感器寿命年限短、不能在高温工作的技术问题，提供了一种无线无源气体、温度双参数传感器及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种无线无源气体、温度双参数传感器，采用磁控溅射技术制备而成，包括采用ltcc基板制成的介质基底，介质基底的一侧设置气体测试电感线圈和叉指电容，所述叉指电容设置在气体测试电感线圈的内侧，且叉指电容与气体测试电感线圈的内圈相连，叉指电容表面附着go/in2o3气敏薄膜，所述介质基底的另一侧设置温度测试线圈，所述温度测试线圈与其自身存在的寄生电容形成一个lc谐振回路。

一种无线无源气体、温度双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：首先在ltcc基板上加工金属过孔，用于气体测试电感线圈与叉指电容的互连；利用磁控溅射的技术将金靶材上的金原子溅射到ltcc基板的正面和背面，在ltcc基板的正面溅射出气体测试电感线圈和叉指电容，在ltcc基板的背面溅射出温度测试线圈；采用hummers法制备出氧化石墨烯go；利用溶胶凝胶的方法制备得到淡黄色粉末in2o3，将得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵研磨得到细化的纳米in2o3颗粒；将制备好的go与制备好的纳米in2o3颗粒进行掺杂，涂覆到叉指电容上，将叉指电容完全覆盖。

无线无源气体、温度双参数传感器具体的制备步骤为：

（1）首先在ltcc基板上加工金属过孔，用于气体测试电感线圈与叉指电容的互连，再利用层压的技术将两层ltcc基板层压成为一体；

（2）首先利用匀胶机在制备成一体的ltcc基板的正面匀一层光刻胶，将气体测试电感线圈与叉指电容掩膜版利用光刻机把ltcc基板上的光刻胶去掉，然后用磁控溅射仪把金原子溅射到基板上，最后把多余的光刻胶用丙酮清洗掉，留下了气体测试电感线圈与叉指电容；利用与ltcc基板正面同样的工艺在ltcc基板背面把温度测试线圈溅射上去，形成了气体、温度双参数的无线无源传感器；

（3）氧化石墨烯的制备，取100ml浓硫酸和10ml磷酸依次加入到三颈瓶中；将混合酸置于冰水浴中，再缓慢加入0.8g鳞片石墨和5g高锰酸钾，搅拌45min；将混合物置于45~55℃恒温水箱中搅拌35min后，置于60℃恒温水箱中反应16h，混合物呈墨绿色；缓慢滴加50ml5%的双氧水，充分搅拌至混合物呈现金黄色；将产物移至烧杯中，常温静置冷却，用去离子水洗涤多次直至中性；将洗涤后的产物置于干燥箱中60℃烘干，所得产物即是氧化石墨烯；

（4）称取1.5g的incl3•4h2o溶解于20ml的蒸馏水当中，加入2%的聚乙二醇，混合搅拌一段时间；在室温下向溶液中缓慢滴加1mol/l的nh3•h2o并缓慢搅拌直到溶液的ph值为中性，得到胶状物，将溶胶溶液放置在室温下静止2小时变为凝胶；过滤后用去离子水多次洗涤，将洗涤过的凝胶放置在干燥箱中在100℃的温度下干燥3个小时，然后在高温炉内用300℃的温度煅烧1小时，得到的淡黄色粉末，将得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵研磨得到直径为15-45nm的纳米氧化铟颗粒；

（5）将制备好的go与制备好的纳米in2o3颗粒按1.5%的比例进行掺杂，利用玛瑙研钵研磨均匀，加入适量的去离子水调成浆料；采用悬涂的方式将调好的浆料涂覆到叉指电容上，将叉指电容完全覆盖，确保厚度均匀，室温下放置在阴凉处晾干；待完全干燥以后，将传感器放置在260℃高温炉内烧结2h；最后将制备好的传感器在空气中老化24h。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明所述的气体、温度双参数传感器采用lc谐振原理（如图1），利用气体敏感层go/in2o3物理吸附目标气体，使得叉指电容间的电容、电阻随着吸附气体浓度的不同而发生变化，从而实现对气体的无线无源测量，传感器基底的介电常数对温度敏感，当外界的温度发生变化时，传感器的寄生电容大小也发生变化，最终导致传感器谐振频率随温度发生改变，实现了对温度的无线无源测量。本发明将气体测量和温度测量结合起来，并且两个测量方式都是利用无线无源的方法进行测量，提高了测量的稳定性，降低了功耗，实现了对气体、温度双参数的测量，并且在尺寸大小方面有很大的灵活性。

本发明结构简单合理，利于实现气体、温度双参数传感器的一体化、微型化，便于加工，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的测试原理图；

图2为ltcc材料层压工艺流程示意图；

图3为磁控溅射正面流程示意图；

图4为磁控溅射背面流程示意图；

图5为本发明的具体结构示意图；

图中：1-传感器；2-网络分析仪；3-询问天线；4-气体测试电感线圈；5-叉指电容；6-温度测试线圈；7-介质基底；8-冲孔；9-金属填充；10-层压；11-共烧；12-匀胶；13-光刻；14-溅射；15-去胶；16-go/in2o3气敏薄膜。

具体实施方式

如图5所示，一种无线无源气体、温度双参数传感器，采用磁控溅射技术制备而成，包括介质基底7，所述介质基底7采用ltcc基板制作，介质基底7的一侧设置气体测试电感线圈4和叉指电容5，所述叉指电容5设置在气体测试电感线圈4的内侧，且叉指电容5与气体测试电感线圈4的内圈相连，叉指电容5表面附着go/in2o3气敏薄膜16，所述介质基底7的另一侧设置温度测试线圈6，所述温度测试线圈6与其自身存在的寄生电容形成一个lc谐振回路。

本发明的无线无源气体、温度双参数传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）首先在ltcc基板上加工金属过孔，用于气体测试电感线圈与叉指电容的互连，再利用层压的技术将两层ltcc基板层压成为一体，如图2所示。

（2）首先利用匀胶机在制备成一体的ltcc基板的正面匀一层光刻胶，将设计好的气体测试电感线圈与叉指电容掩膜版利用光刻机把ltcc基板上的光刻胶去掉得到想要的结构（即气体测试电感线圈与叉指电容的结构），然后用磁控溅射仪把金原子溅射到基板上，最后把多余的光刻胶用丙酮清洗掉，留下了气体测试电感线圈与叉指电容，如图3所示；利用与ltcc基板正面同样的工艺在ltcc基板背面把温度测试线圈溅射上去，如图4所示，形成了气体、温度双参数的无线无源传感器。

（3）氧化石墨烯的制备，取100ml浓硫酸和10ml磷酸依次加入到三颈瓶中；将混合酸置于冰水浴中，再缓慢加入0.8g鳞片石墨和5g高锰酸钾，搅拌45min；将混合物置于45~55℃恒温水箱中搅拌35min后，置于60℃恒温水箱中反应16h，混合物呈墨绿色；缓慢滴加50ml5%的双氧水，充分搅拌至混合物呈现金黄色；将产物移至烧杯中，常温静置冷却，用去离子水洗涤多次直至中性；将洗涤后的产物置于干燥箱中60℃烘干，所得产物即是氧化石墨烯。

（4）称取1.5g的incl3•4h2o溶解于20ml的蒸馏水当中，加入2%的聚乙二醇，混合搅拌一段时间；在室温下向溶液中缓慢滴加1mol/l的nh3•h2o并缓慢搅拌直到溶液的ph值为中性，得到胶状物，将溶胶溶液放置在室温下静止2小时变为凝胶；过滤后用去离子水多次洗涤，将洗涤过的凝胶放置在干燥箱中在100℃的温度下干燥3个小时，然后在高温炉内用300℃的温度煅烧1小时，得到的淡黄色粉末，将得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵研磨得到直径为15-45nm的纳米氧化铟颗粒。

（5）将制备好的go与制备好的纳米in2o3颗粒按1.5%的比例进行掺杂，利用玛瑙研钵研磨均匀，加入适量的去离子水调成浆料；采用悬涂的方式将调好的浆料涂覆到叉指电容上如图5所示，将叉指电容完全覆盖，确保厚度均匀，室温下放置在阴凉处晾干，避免阳光直射防止气敏薄膜开裂脱落；待完全干燥以后，将传感器放置在260℃高温炉内烧结2h，以加强材料的稳定性并使气敏薄膜完全干燥；最后将制备好的传感器在空气中老化24h，以改善其性能。

与现有技术相比，本发明所述的气体、温度双参数传感器采用lc谐振原理（如图1），利用气体敏感层go/in2o3物理吸附目标气体，使得叉指电容间的电容、电阻随着吸附气体浓度的不同而发生变化，从而实现对气体的无线无源测量，传感器基底的介电常数对温度敏感，当外界的温度发生变化时，传感器的寄生电容大小也发生变化，最终导致传感器谐振频率随温度发生改变，实现了对温度的无线无源测量。本发明将气体测量和温度测量结合起来，并且两个测量方式都是利用无线无源的方法进行测量，提高了测量的稳定性，降低了功耗，实现了对气体、温度双参数的测量，并且在尺寸大小方面有很大的灵活性。

本发明结构简单合理，利于实现气体、温度双参数传感器的一体化、微型化，便于加工，成本低廉。