多维度多参量气体传感器及其制备方法、气体检测方法与流程

1.本发明涉及气体传感器技术领域，具体而言，涉及一种多维度多参量气体传感器、一种多维度多参量气体传感器的制备方法以及一种气体检测方法。


背景技术：

2.气敏检测的手段多样，其中基于金属氧化物半导体传感原理的气体传感器既可以用于检测低至ppb级的有毒气体也可以用于检测百分比浓度的易燃易爆气体，得到了广泛应用。该气体传感器的原理是通过把气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换成电流、电压的输出信号，从而实现检测功能。具体来说，金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，mos)这种气敏电阻材料是通过化学计量比偏离的杂质缺陷制成的，在合成气敏材料时会掺杂或者负载某些贵金属，目的是为了提高某种材料对某些气体组分的选择性或灵敏度。mos材料分为p型半导体和n型半导体，例如，nio、pbo等p型半导体，sno2、wo3、fe2o3、in2o3等n型半导体。金属氧化物在常温情况下是绝缘体，加工成金属氧化物半导体(mos)后却能显示出气敏性质。当mos材料接触待测气体时，由于其表面吸附气体致使它的电阻率发生明显的变化，解吸附后电阻率又恢复到初始状态。mos材料对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附，在常温下主要是物理吸附，即气体与mos材料表面的分子吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。化学吸附是指气体与mos材料表面建立离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键力。如果给mos材料加热使其温度升高，则化学吸附增加，在某一温度时达到最大值。若mos材料的温度高于某个值时呈现为解吸附状态，物理吸附和化学吸附同时减小。例如，最常见的mos材料氧化锡(sno2)在常温下吸附某种气体，电阻率变化不大，此时是物理吸附；若保持气体浓度不变,给mos材料加热，mos材料的电导率随温度的升高而显著增加，尤其在100～500℃温度范围内电导率变化非常大。因此，mos材料制成的气敏元件工作时需要的温度比室温高非常多，而且不同的mos材料检测不同的气体组分、浓度需要多变的温度。
3.在复杂气氛环境的场景混合气体的种类可能有十几种，若要实现复杂气氛检测，则需要可同时检测多种气体的传感器件。目前，用于复杂气氛检测的传感器件通常采用多个相同的微加热芯片单元独立排列形成传感器阵列，多个微加热芯片单元分别为对应的气敏传感材料加热，以实现复杂气氛检测功能。由于传感器阵列的每个微加热芯片都需单独加热，多个微加热芯片需多个加热结构，因此器件整体的集成度不高，无法体现半导体气体传感器件体积小、能耗低的优势。上述气体传感器件的微加热芯片加热温度单一，一个微加热芯片对应加热一种气敏传感材料，无法实现在单个芯片上结合多种mos传感材料在不同温度下进行交叉检测，在复杂气氛环境下的检测准确度较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种多维度多参量气体传感器及其制备方法，以实现在单个气体传感器上结合多种气敏传感材料实现复杂气氛检测，提高气体传感器的集成度。
5.为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种多维度多参量气体传感器，包括：
6.传感结构，用于针对多种气体产生对应的多路电信号；
7.微加热结构，用于对所述传感结构提供不同的加热温度；
8.信号检测系统，用于获取所述传感结构产生的多路电信号，根据所述电信号的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。
9.进一步地，所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于所述测量电极的气体敏感膜，多个所述测量电极涂覆的气体敏感膜的材料不相同。
10.进一步地，所述微加热结构包括硅基衬底以及设置于所述硅基衬底上的加热层，所述加热层分为多个不同温度的加热区，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区。
11.进一步地，所述加热层包括加热电极，所述加热电极为多条截面积不同的加热电阻丝，多条所述加热电阻丝形成多个所述加热区。
12.进一步地，所述加热电阻丝的截面厚度为300nm-500nm，截面宽度为10μm-100μm，长度为1.5mm-20mm。
13.进一步地，多条所述加热电阻丝间隔排列；两相邻加热电阻丝之间的间距为所述加热电阻丝的截面宽度的2-5倍。
14.进一步地，每条加热电阻丝各自首尾相接呈圆环形，多条所述加热电阻丝在所述硅基衬底上呈梯度分布。
15.进一步地，所述加热层包括加热电极，所述加热电极为具有多个截面积不同的分段的加热电阻丝，所述加热电阻丝的多个分段形成多个所述加热区。
16.进一步地，所述气体敏感膜由金属氧化物纳米气敏材料制成，所述金属氧化物纳米气敏材料为sno2、wo3、in2o3、nio、moo3、cuo中的任意一种或多种。
17.进一步地，所述加热层包括加热电极，所述加热电极分布于所述加热层的中心，多个所述测量电极分布于所述加热电极的四周。
18.进一步地，所述加热层的几何形状长度是所述加热电极所分布区域的几何形状长度的1-6倍，所述加热层的几何形状长度介于500μm-3000μm。
19.进一步地，所述加热电极由加热电阻丝环绕而成；所述加热电阻丝的厚度为300nm-500nm，宽度为10μm-100μm，长度为1.5mm-13mm；所述加热电阻丝的两环绕段之间的间距小于所述加热电阻丝的宽度的两倍。
20.进一步地，所述信号检测系统包括信号检测模块和信号处理模块；
21.所述信号检测模块用于获取所述测量电极产生的多路电信号，并测量所述电信号对应的电阻值；
22.所述信号处理模块用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。
23.进一步地，所述信号检测模块包括依次相连的模拟开关电路、驱动电路以及模数转换电路；
24.所述模拟开关电路与所述测量电极连接，用于获取所述测量电极产生的多路电信号，所述多路电信号为模拟电信号；
25.所述模数转换电路用于将所述模拟电信号转换为数字信号输出。
26.进一步地，所述信号处理模块包括：
27.单片机，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度，并输出所述气体的类别信号和浓度信号。
28.进一步地，所述信号检测系统还包括：
29.报警模块，与所述单片机连接，用于接收所述气体的类别信号和浓度信号，并在所述气体的浓度信号超过该气体浓度的预设阈值时产生报警信号。
30.进一步地，所述信号检测系统还包括：
31.无线通信模块，与所述单片机连接，用于无线传送所述气体的类别信号和浓度信号。
32.本发明第二方面提供一种多维度多参量气体传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
33.s1)在硅基衬底上制作加热层，形成微加热结构；
34.s2)在所述微加热结构上制作多个测量电极，在每一测量电极表面涂覆对应的气体敏感膜，形成传感结构；
35.s3)将所述微加热结构和所述传感结构制作成微传感芯片；
36.s4)将集成有信号检测系统的电路板与所述微传感芯片封装为一体。
37.进一步地，步骤s1)在硅基衬底上制作加热层，包括：
38.在所述硅基衬底上制作多条截面积不同的加热电阻丝或一条具有多个截面积不同的分段的加热电阻丝，形成多个不同温度的加热区。
39.进一步地，其特征在于，步骤s2)在所述微加热结构上制作多个测量电极，在每一测量电极表面涂覆对应的气体敏感膜，包括：
40.在不同温度的所述加热区内制作测量电极，在每一测量电极表面涂覆与该测量电极所在加热区的加热温度相匹配的气体敏感膜。
41.本发明第三方面提供一种气体检测方法，使用上述的多维度多参量气体传感器对气体进行检测。
42.进一步地，所述方法包括对两种以上气体组成的混合气体进行检测。
43.本发明提供的气体传感器基于气体敏感材料的选择性、广谱性响应以及温度特征三个维度实现多参量气体的浓度检测。根据气体敏感材料的选择性筛选出多种对特定气体产生响应的气敏传感材料构成传感结构，针对气敏传感材料的广谱性响应设计对应的微加热结构，通过微加热结构为传感结构提供不同的加热温度，通过信号检测系统根据传感结构产生的信号变化情况确定多种目标气体的浓度。本发明基于气体敏感材料的选择性、广谱性响应以及温度特征，在单个气体传感器上结合多种气敏传感材料实现复杂气氛检测，缩小整体器件的体积，提高集成度。
44.本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
45.附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
46.图1是本发明实施方式提供的多维度多参量气体传感器的结构示意图；
47.图2是本发明实施例一提供的多维度多参量气体传感器的加热层的示意图；
48.图3是本发明实施例二提供的多维度多参量气体传感器的加热层的示意图；
49.图4是本发明实施例二提供的多维度多参量气体传感器的加热层的温度分布仿真图；
50.图5是本发明实施例三提供的多维度多参量气体传感器的加热层的示意图；图6是本发明实施例三提供的微加热结构的几何参数定义示意图；
51.图7是本发明实施例三提供的加热层的几何形状长度与加热电极所分布区域的几何形状长度的比值m/h与功率的关系图；
52.图8是本发明实施例三提供的加热层的几何形状长度与加热电极所分布区域的几何形状长度的比值m/h与热均匀度的关系图；
53.图9是本发明实施例三提供的多维度多参量气体传感器的加热层的温度分布仿真图；
54.图10是本发明实施例四提供的多维度多参量气体传感器的信号检测系统的框图；
55.图11是本发明实施例四提供的信号检测系统的信号检测模块的框图；
56.图12是本发明实施例四提供的信号检测模块的模拟开关电路的原理图；
57.图13是本发明实施例四提供的信号检测模块的驱动电路的原理图；
58.图14是本发明实施例四提供的信号检测模块的模数转换电路的原理图；
59.图15是本发明实施例四提供的信号检测系统的信号处理模块的电路原理图；
60.图16本发明实施例五提供的多维度多参量气体传感器的制备方法的流程图。
61.附图标记说明
62.10-硅基衬底，20-加热层，21-加热电极，22-测量电极，
63.23-加热电极焊盘，24-测量电极焊盘，25-加热电极引线，30-传感结构，
64.201-第一加热区，202-第二加热区，203-第三加热区，
65.211-第一加热电阻丝，212-第二加热电阻丝，213-第三加热电阻丝，
66.21a-第一分段电阻丝，21b-第二分段电阻丝，21c-第三分段电阻丝。
具体实施方式
67.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
68.图1是本发明实施方式提供的多维度多参量气体传感器的结构示意图。本发明实施方式提供的维度多参量气体传感器，包括传感结构、微加热结构以及信号检测系统。所述传感结构用于针对多种气体产生对应的多路电信号；所述微加热结构用于对所述传感结构提供不同的加热温度；所述信号检测系统用于获取所述传感结构产生的多路电信号，根据所述电信号的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。
69.如图1所示，所述微加热结构包括硅基衬底10以及设置于所述硅基衬底10上的加热层20，所述加热层20分为多个不同温度的加热区。所述传感结构30包括多个测量电极以及涂覆于所述测量电极的气体敏感膜，多个所述测量电极涂覆的气体敏感膜的材料不相同，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区，每一测量电极表面涂覆的气体敏感膜的响应温度与该测量电极所在加热区的加热温度相匹配。
70.所述气体敏感膜由金属氧化物纳米气敏材料制成，所述金属氧化物纳米气敏材料例如sno2、wo3、in2o3、nio、moo3、cuo。选择性是广谱型气敏材料的关键指标，通过量化气敏金属氧化物传感材料对多种气体选择性的方法，优选出具有不同响应特征的材料，并进行特异性和广谱性归类，使传感器能够从复杂气体混合物中有选择地分辨出目标气体，实现多参量定量识别。
71.气敏材料对单一气体的选择性与选择吸附、表面化学反应和氧化物能带结构与反应温度密切相关，基于气敏材料的选择性来优选适合的传感材料，根据选择性来表征气敏材料对不同的气体灵敏度的差异，确定选择性与灵敏度的函数关系。例如，s代表某种气敏材料对气体x在某种浓度下的灵敏度，∑s
x
代表所有参照气体在同一种浓度下的灵敏度之和，定义传感器对气体x的选择性为sl
x
＝(s
x
/∑s
x
)*100％。如果某种气敏材料的选择性sl
x
≥60％，表示该气敏材料对气体x有特异性响应属性，适合在传感器中获取特征值；如果选择性为20％≤sl
x
＜60％，表示该气敏材料具有广谱性质，对多种气体都具有灵敏性；如果选择性sl
x
＜20％，表示该气敏材料对气体x几乎无响应。
72.不同气敏材料的选择性可以通过实验测量，例如，通过测量wo3纳米线的电阻变化得到wo3纳米线的灵敏度，获得该气敏材料对不同气体的选择性。
73.wo3对各种危险气体的选择性的实验结果如下：
[0074] h2setohnh3ch4coh2butane灵敏度s62201.60.81.2131.4选择性sl62.00％20.00％1.60％0.80％1.20％13.00％1.40％
[0075]
通过上述实验结果可判断，在本混合气体中wo3纳米线对于h2s是特异性响应，对etoh是广谱响应，对其他气体几乎没有响应。
[0076]
由于气敏材料对不同气体响应灵敏度选择性各异，若要准确检测出目标气体的浓度，需筛选出多种选择性有显著差别的气敏材料形成多参量检测。通过对比实验优选出sno2、wo3、in2o3、nio等纳米材料作为气体检测参量。
[0077]
微加热结构的各加热区为不同的气敏材料提供与其响应温度相匹配的加热温度。当测量电极表面的气体敏感膜接触到某种气体时，在特定温度下电阻率发生明显的变化，根据不同加热区的测量电极的电阻率变化情况确定气体的类别和浓度。由于不同传感材料的响应温度不同，微加热结构提供不同温度的加热区为不同传感材料加热，实现在单个微芯片上结合多种传感材料在不同温度下进行交叉检测，从而实现复杂气氛检测功能。
[0078]
微加热结构的相关参数可以通过对加热电极的热过程分析来确定。瞬态传热过程影响气体传感器的热平衡速率、动态热稳定性能。特征是功耗p与比热容c、温度t、热阻r和时间t变化之间的关系：
[0079][0080]
对于密度ρ，体积为v的材料，其比热容为c＝c
v
ρv。当时间常数为τ＝rc时，
[0081]
因此实时温度的变化为其中tm为加热热量与
散失热量达到相同时的稳态温度t
m
＝t
amb
+p
·
r。
[0082]
当加热电极达到预设温度开始稳态传热，微加热结构的每一部分都与外界环境发生热量传递，主要有热辐射、自身中心区域向四周的热传导，接触气体和气敏材料的热传导以及环境热对流，表达公式为
[0083][0084]
其中，g
m
·
λ
m
(t
mhp-t
amb
)表示中心向悬臂热传导，g
air
(h
f
+λ
air
)
·
(t
mhp-t
amb
)表示异质材料间热传导，表示热对流；其中，λ
m
表示微热板的热传导系数，λ
air
表示空气的热传导系数，h
f
表示空气对流系数，ε表示黑体辐射发射率，σ表示波尔茨曼常数，悬梁方向的热传导可以看作是一维传热，悬梁横截面积表示为abeam，长度为l，除了热传导的热损耗以外，加热层的表面积越大接触外界环境的热损耗越多，产生的温度梯度也越大。加热电极的阻值表示为因此可以得出，在材料确定的情况下，热阻与传导路径长度l成正比，与通过的横截面积成反比，与导热系数成反比。
[0085]
通过以上热分析得知，微加热结构的稳态温度可以通过三个方面改变，第一是改变加热电极的热阻；第二通过调节热功率，即在加热电极两端施加的电压值大小；第三，调节加热电极的间距，间距越密加热温度越高。提高热均匀性需要降低热阻值，一方面可以选择热导率系数高的材料，另一方面可以通过优化加热电极几何因子来获得。具体为，通过减小加热区域的有效长度l或者增大截面积来提高热均匀性，同时增大截面积也会导致稳态热过程中的热传导增大。此外，随着热阻的降低有利于提高热传导响应速率，使传感结构快速达到热平衡的时间缩短。
[0086]
综合以上的分析，设计不同温度区的加热层，在同一微加热结构上对传感结构分区加热，以实现传感器的复杂气氛检测功能。
[0087]
实施例一
[0088]
图2是本发明实施例一提供的多维度多参量气体传感器的加热层的示意图。本实施例的加热层包括加热电极，所述加热电极为多条截面积不同的加热电阻丝，多条所述加热电阻丝形成多个所述加热区。如图2所示，所述加热电极包括第一加热电阻丝211、第二加热电阻丝212、第三加热电阻丝213。第一加热电阻丝211的截面积大于第二加热电阻丝212的截面积，第二加热电阻丝212的截面积大于第三加热电阻丝213的截面积。第一加热电阻丝211、第二加热电阻丝212、第三加热电阻丝213各自首尾相接呈圆环形，三条加热电阻丝在所述硅基衬底上呈梯度分布。第二加热电阻丝212构成的圆环位于第三加热电阻丝213构成的圆环内，第一加热电阻丝211构成的圆环位于第二加热电阻丝212构成的圆环内。所述加热层还包括加热电极焊盘23和加热电极引线25，加热电极引线25贯穿第一加热电阻丝211、第二加热电阻丝212、第三加热电阻丝213构成的圆环与加热电极焊盘23连接。第一加热电阻丝211形成第一加热区201，第二加热电阻丝212形成第二加热区202，第三加热电阻丝213形成第三加热区203。在各加热区内设置测量电极(附图2未示出)，涂覆气体敏感膜，构成传感结构。
[0089]
根据焦耳定律，电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻
成正比，跟通电的时间成正比。也就是说，给加热电阻丝两端施加一定的电压，电路产生的热量在加热电阻丝上会以温度的形成呈现。同一电路中，在流过的电流密度恒定和通电时间恒定的情况下，改变加热电阻丝的电阻可呈现不同的温度。电阻计算公式r＝ρ
·
l/s＝ρ
·
l/(w
·
t)，其中，ρ表示加热电阻丝的电阻率(与气敏传感材料相关)，l表示加热电阻丝的长度，s表示加热电阻丝的截面积(s＝w
·
t)，w表示加热电阻丝的截面宽度，t表示加热电阻丝的截面厚度。根据电阻计算公式可以得知延长加热电阻丝的长度或者减小横截面都可以增大加热电阻丝的电阻，使其呈现出更高的温度，反之同理。因此加热电阻丝的长度和截面积可以有效影响温度分布。通常，气敏传感材料所需加热温度在100-700℃之间，加热电极的电阻r在70ω-250ω之间，加热电阻丝沉积的厚度(即截面厚度t)为300nm-500nm。根据上述电阻公式计算得到加热电阻丝的截面宽度w为10μm-100μm，长度l为1.5mm-20mm。
[0090]
多条加热电阻丝间隔排列，两相邻加热电阻丝之间的间距d为加热电阻丝的截面宽度w的2-5倍(若两相邻加热电阻丝的截面宽度不相等，两相邻加热电阻丝之间的间距为截面宽度较大的加热电阻丝的截面宽度的2-5倍)。根据模拟仿真结果，当截面宽度w大于50μm，两相邻加热电阻丝之间的间距d与截面宽度w关系为2w≤d≤5w时，从加热层中心向加热层边缘方向，两相邻加热电阻丝之间至少有6℃的温度梯度，温度随着径向长度的增加而降低，形成不同温度的加热区；增大两相邻加热电阻丝的间距，即可增大各加热区的温差。
[0091]
本实施例中，第三加热区203的温度小于第二加热区202的温度，第二加热区202的温度小于第一加热区201的温度，加热层上形成三个温度梯度的加热区。在第一加热区201涂覆加热温度需求较高的气敏传感材料，在第三加热区203涂覆加热温度需求较低的气敏传感材料，第一加热区201、第二加热区202、第三加热区203的气敏传感材料分别检测特定的气体组分。在加热电极引线两端加载8v电压条件下，第一加热区201的加热温度最高可达到600℃左右，第二加热区202的加热温度为500℃左右，第三加热区203的加热温度最低为350℃，通过同一加热电阻丝实现不同温度梯度的加热区，在同一加热层上对多种气敏传感材料同时加热。
[0092]
实施例二
[0093]
图3是本发明实施例二提供的多维度多参量气体传感器的加热层的示意图。本实施例的加热层包括加热电极21，所述加热电极21为具有多个截面积不同的分段的加热电阻丝，所述加热电阻丝的多个分段形成多个所述加热区。如图3所示，所述加热电阻丝包括第一分段电阻丝21a、第二分段电阻丝21b、第三分段电阻丝21c，第一分段电阻丝21a形成第一加热区201，第二分段电阻丝21b形成第二加热区202，第三分段电阻丝21c形成第三加热区203。所述加热电阻丝呈蛇形线弯曲排布，所述测量电极22分布于所述加热电阻丝的弯弧区域。所述加热层还包括一对加热电极焊盘23和多对测量电极焊盘24，所述加热电阻丝的两端与加热电极焊盘23相连，所述测量电极22分别与对应的测量电极焊盘24相连。
[0094]
电阻计算公式r＝ρ
·
l/s＝ρ
·
l/(w
·
t)，其中，ρ表示加热电阻丝的电阻率(与气敏传感材料相关)，l表示加热电阻丝的长度，s表示加热电阻丝的截面积(s＝w
·
t)，w表示加热电阻丝的截面宽度，t表示加热电阻丝的截面厚度。通常，气敏传感材料所需加热温度在100-700℃之间，加热电极的电阻r在70ω-250ω之间，加热电阻丝沉积的厚度(即截面厚度t)为300nm-500nm。根据上述电阻计算公式得出加热电阻丝的截面宽度w为50μm-150μm，长度l为10mm-20mm。
[0095]
第一分段电阻丝21a、第二分段电阻丝21b、第三分段电阻丝21c的截面宽度依次增大，第一加热区201、第二加热区202、第三加热区203的加热温度依次降低。参照图4，在加热电阻丝两端加载8v电压条件下，第一加热区201的加热温度最高可达到600℃左右，第三加热区203的加热温度最低可达到350℃，通过同一加热电阻丝实现不同温度梯度的加热区，在同一加热层上对多种气敏传感材料同时加热。
[0096]
实施例一和实施例二的微加热结构各加热区的温度差异最高可达到200℃，尤其适用响应温度差异较大的气敏传感材料。例如，sno2、wo3、in2o3、nio四种气敏传感材料，最佳响应温度分别是：sno2(600℃)、wo3(350℃)、in2o3(250℃)、nio(400℃)，利用这四种材料分别涂覆测量电极制作成的气体传感器，可对应检测4种气体或含有这4种气体的混合气体。
[0097]
实施例三
[0098]
图5是本发明实施例三提供的多维度多参量气体传感器的加热层的示意图。本实施例的加热层包括加热电极21，所述加热电极21分布于所述加热层20的中心，所述测量电极22分布于所述加热电极21的四周。所述测量电极22有4对，加热电极21与测量电极22设置于硅基衬底10的同一平面，且4对测量电极22均邻近加热电极21，通过加热电极21对4对测量电极22进行共片加热。所述硅基衬底10表面设置有一对加热电极焊盘23和4对测量电极焊盘24，加热电极21的两端引出至加热电极焊盘23，所述测量电极22分别引出至对应的测量电极焊盘24。
[0099]
如图6所示，m表示加热层的几何形状长度，h表示加热电极所分布区域的几何形状长度，c表示硅基衬底的空腔的几何形状长度。如图7所示，根据加热层的几何形状长度与加热电极所分布区域的几何形状长度的比值m/h与功率的关系可得出，加热层的几何形状长度m是加热电极所分布区域的几何形状长度h的1-6倍。所述加热层的几何形状长度m为500μm-3000μm，所述加热电极21所分布区域的几何形状长度h为85μm-3000μm。m/h与功耗的关系如图7所示。加热电极和测量电极的布局与热均匀度相关，如图8所示，随着m/h增大，从温度中心(加热电极)到加热层边缘每微米温度梯度变化越小，尽管比值越大功率和均匀性越好，但从加工和经济效益角度考虑不宜再继续增大m/h的范围。
[0100]
硅基衬底10的空腔13有利于中心排布加热电极21的加热层20达到更高工作温度，所述空腔13的几何形状长度c不大于所述加热电极21所分布区域的几何形状长度h的两倍，即0≤c/h≤2，c/h的比值取最大时，加热层20的温度能达到稳定的700℃。所述加热电极21所分布区域的几何形状长度h为85μm-3000μm，所述空腔13的几何形状长度c优选为50μm-6000μm。所述测量电极22可采用叉指结构，其线宽和间距均为1μm-10μm。所述加热电极21由加热电阻丝环绕而成，所述加热电阻丝的厚度t为300nm-500nm，所述加热电阻丝的宽度w为10μm-100μm。所述加热电阻丝的两环绕段之间的间距d小于加热电阻丝的宽度w的两倍，即d＜2w。由于气敏传感材料所需加热温度最高可达到700℃，微加热结构的电阻r通常在90ω-200ω之间，电阻计算公式r＝ρ
·
l/s＝ρ
·
l/(w
·
t)，其中，ρ表示加热电阻丝的电阻率(与气敏传感材料相关)，l表示加热电阻丝的长度，s表示加热电阻丝的截面积(s＝w
·
t)，w表示加热电阻丝的宽度，t表示加热电阻丝的厚度，根据电阻公式计算得到加热电阻丝l的长度范围为1.5mm-13mm。
[0101]
图9是本实施例的加热层的温度分布模拟仿真图，模拟条件为：加热层的几何形状
长度m＝500μm，加热电极所分布区域的几何形状长度h＝245μm，m/h＝500μm/245μm＝2，加热电阻丝的线宽w＝20μm，加热电阻丝的间距d＝50μm，加热电阻丝的厚度t＝300nm。参照图9，在上述模拟条件下，加热功率48mw时，加热温度均在610℃左右，加热层的温度差异较小。
[0102]
本实施例的微加热结构各加热区的温度差异较小，适用于响应温度差异较小(30℃以内)的气敏传感材料。例如，wo3纳米线检测硫化氢气体时的最佳工作温度为350℃，花状sno2检测co时最佳工作温度也为350℃。
[0103]
实施例四
[0104]
图10是本发明实施例四提供的多维度多参量气体传感器的信号检测系统的框图。如图10所示，本实施例的信号检测系统包括信号检测模块、信号处理模块、报警模块以及无线通信模块。所述信号检测模块用于获取所述测量电极产生的多路电信号，并测量所述电信号对应的电阻值。图11是本发明实施例四提供的信号检测系统的信号检测模块的框图，如图11所示，所述信号检测模块包括依次相连的模拟开关电路、驱动电路以及模数转换电路。所述模拟开关电路与所述测量电极连接，用于获取所述测量电极产生的多路电信号，所述多路电信号为模拟电信号。所述模数转换电路用于将所述模拟电信号转换为数字信号输出。如图12所示，本实施例中的模拟开关电路为四双向模拟开关电路，所述四双向模拟开关电路与多个所述测量电极连接，采用cd4066四双向模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，能够同时获取4对测量电极产生的4路模拟电信号，实现模拟信号的多路传输。如图13所示，本实施例中的驱动电路为四路驱动电路，采用tlv3544四通道运算放大器，无需外部信号调理硬件即可处理低电平或高电平模拟输入。如图14所示，本实施例中的模数转换电路采用ad7833桥式电路对传感结构的电阻变化实现精准测量，将模拟电信号转换为数字信号输出。所述四路驱动电路的输入端与所述四双向模拟开关电路的输出端对应相连，所述四路驱动电路的输出端与所述模数转换电路相连，该电路结构能够同时对传感结构的多组电阻变化进行测量，实现多路信号检测。
[0105]
所述信号处理模块与所述信号检测模块连接，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。图15是本发明实施例四提供的信号检测系统的信号处理模块的电路原理图，如图15所示，所述信号处理模块包括单片机，所述单片机用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度，并输出所述气体的类别信号和浓度信号。本实施例中采用stm32单片机，将确定气体类别和浓度的算法编写为程序代码，将程序代码烧录至stm32单片机，stm32单片机根据模数转换电路输出的数字信号确定该数字信号对应的气体的类别和浓度，实现气体检测功能。信号检测系统的算法包括温湿度补偿算法、信号漂移校准算法、多路信号识别算法以及报警值和传输显示的模式设定。信号检测系统还包括加热电路，所述加热电路与单片机连接，用于为微加热结构的加热电极提供加热电压。
[0106]
所述报警模块与所述单片机连接，用于接收所述气体的类别信号和浓度信号，并在所述气体的浓度信号超过该气体浓度的预设阈值时产生报警信号。所述预设阈值通过烧录端口上传至单片机。所述报警模块包括发光二极管和蜂鸣器，当单片机判定浓度信号超过预设阈值时产生报警信号，此时发光二极管点亮，蜂鸣器发出声响，警示危险。
[0107]
所述无线通信模块与所述单片机连接，用于无线传送所述气体的类别信号和浓度信号至外部监控设备，便于实时远程读取气体浓度数据。所述无线通信模块例如zigbee通
讯模块、bluetooth通讯模块或rs-232/485通讯模块。
[0108]
所述信号检测系统还包括温湿度监控模块，所述温湿度监控模块与所述单片机连接，用于实时监测环境温度和环境湿度，并输出温度信号和湿度信号；所述单片机还用于根据所述温度信号、所述湿度信号以及所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。例如，单片机按照预先烧录的程序指令(温度、湿度与电阻值的变化关系)，合理补偿温湿度对电阻值的影响，提高气体检测的准确度。
[0109]
所述信号检测系统采用环路供电，通过锂离子电池或家用5号电池即可满足单片机的供电需求，传感结构和信号检测模块均由单片机供电。例如，单片机向气体传感模块输出0-5v加热电压，对加热电极供电，加热电极为各测量电极提供不同的加热温度。加热电极的电压可根据实际温度需要进行调整，可调电压精度为0.2v，平均分配在0-5v范围内。通过tlv3544四通道运算放大器输出电流至加热电极，驱动能力可达到100ma以上。
[0110]
本实施例提供的信号检测系统通过信号检测模块测量多路电信号分别对应的电阻值，再通过信号处理模块根据电信号对应的电阻值的变化情况确定各电信号对应的气体的类别和浓度，能够实现多种气敏材料在不同温度下的交叉检测，同时检测多种有害气体的浓度。同一信号检测模块能够同时获取并测量传感结构产生的多路电信号，无需设置多个信号检测模块，减小了系统体积。整个传感结构适用同一套驱动电路和传输电路，极大地缩小了电路所需空间，满足气体传感器件的集成化、微型化需求。
[0111]
本发明实施方式提供的气体传感器基于气体敏感材料的选择性、广谱性响应以及温度特征三个维度实现多参量气体的浓度检测。根据气体敏感材料的选择性筛选出多种对特定气体产生响应的气敏传感材料构成传感结构，针对气敏传感材料的广谱性响应设计对应的微加热结构，通过微加热结构为传感结构提供不同的加热温度，通过信号检测系统根据传感结构产生的信号变化情况确定多种目标气体的浓度。本发明基于气体敏感材料的选择性、广谱性响应以及温度特征，在单个气体传感器上结合多种气敏传感材料实现复杂气氛检测，缩小整体器件的体积，提高集成度。
[0112]
实施例五
[0113]
图16是本发明实施例五提供的多维度多参量气体传感器的制备方法的流程图。如图16所示，本实施例提供的多维度多参量气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0114]
s1)在硅基衬底上制作加热层，形成微加热结构。
[0115]
在所述硅基衬底上制作多条截面积不同的加热电阻丝或一条具有多个截面积不同的分段的加热电阻丝，形成多个不同温度的加热区。
[0116]
例如，采用刻蚀工艺或光刻剥离工艺在所述硅基衬底上制作多条截面积不同的加热电阻丝，多条所述加热电阻丝形成多个不同温度的加热区。例如，采用具有p型硼掺杂硅(si)的soi晶片层作为硅基衬底，soi(silicon-on-insulator，即绝缘衬底上的硅)硅晶片是指在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层(box)作为支撑层，并采用等离子增强化学气相沉积的方法在硅晶片的正面和背面涂覆厚度不大于1μm的氧化硅或氮化硅薄膜层。在硅晶片表面旋转涂覆一层薄光刻胶膜，通过加热使光刻胶溶剂部分蒸发，然后用预先订制的掩模板精确对准；采用紫外光刻技术对光刻胶上指定区域进行曝光，通过真空蒸镀方式对其曝光的一面进行100-500nm厚的加热层金属蒸镀。将蒸镀完成的硅晶片放入丙酮溶液中浸泡4-5小时溶解掉光刻胶并冲洗掉多余的蒸镀金属，形成加热层。
[0117]
s2)在所述微加热结构上制作多个测量电极，在每一测量电极表面涂覆对应的气体敏感膜，形成传感结构。
[0118]
在不同温度的所述加热区内制作测量电极，在每一测量电极表面涂覆与该测量电极所在加热区的加热温度相匹配的气体敏感膜。对于加热电阻丝与测量电极位于同一平面的情况，可在制作加热电阻丝的过程中同时制作测量电极。例如，在硅基衬底表面制作牺牲层，通过光刻工艺在硅基衬底表面形成加热电阻丝和测量电极的图像，再通过蚀刻工艺将加热电阻丝和测量电极蚀刻到所述牺牲层。
[0119]
采用水热、溶剂热、微波合成的方法制备金属氧化物纳米材料，作为气敏传感材料。合成过程中采用高温高压的条件，促进金属盐转化为金属氧化物。整个合成过程同时进行原位反应，有利于电子在它们之间的转移，从而提高材料的气敏性能，适用于不同形貌(纳米颗粒、纳米线、纳米片等)、不同状态(分散液、固体粉末等)的金属氧化物。上述方法制备的金属氧化物纳米材料，是一种特异性或广谱型气敏材料，可以与氧化性以及还原性气体发生反应。在测量电极表面涂覆气敏材料的方法，例如：滴注法、气喷法、微喷法、沉积法、毛笔点涂法等，涂覆的气敏材料晾干后形成气体敏感膜。
[0120]
s3)将所述微加热结构和所述传感结构制作成微传感芯片。
[0121]
根据气敏传感材料工作温度的温差δt选择适合的微加热结构。如果选用的气敏传感材料的最佳工作温度范围的温差δt在0-30℃以内，可采用实施例三提供的微加热结构。如果选用的气敏传感材料的最佳工作温度范围的温差δt>30℃，可采用实施例一或实施例二提供的微加热结构，通过改变加热电阻丝的线宽和间距来调节不同区域的温度。
[0122]
例如，通过对sno2、wo3、in2o3、nio纳米材料开展气敏性能测试得知，这四种传感材料在no2、h2s、co混合气体中，选择性均在20％≤sl
x
＜60％区间范围内，具备广谱响应的特征。测得四种材料的最佳工作温度分别是：sno2(600℃)、wo3(350℃)、in2o3(250℃)、nio(400℃)，利用这四种材料作为气敏传感材料，最佳工作温度范围的温差δt>30℃，采用实施例一或实施例二提供的微加热结构。
[0123]
将选用的微加热结构与传感结构集成封装为微传感芯片。
[0124]
s4)将集成有信号检测系统的电路板与所述微传感芯片封装为一体。
[0125]
将实施例三提供的信号检测系统的各个模块和电路集成在电路板上，将微传感芯片与电路板封装为一体。气敏纳米材料集成在mems技术加工的微传感芯片上，为了避免微传感芯发生变形或影响电极信号转换功能，需对其进行封装。封装结构选用陶瓷外壳，表面具备多孔结构，便于目标气体的充分扩散，陶瓷外壳具有抗腐蚀、抗老化、结构小巧的优点。
[0126]
本发明实施方式还提供一种气体检测方法，使用上述的多维度多参量气体传感器对气体进行检测。所述气体检测方法包括对两种以上气体组成的混合气体进行检测，通过气体敏感材料的选择性、广谱性响应以及温度特征实现气体浓度检测，能够从复杂气体混合物中有选择地分辨出目标气体，提高多组分气体检测的准确度。
[0127]
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施例，但是，本发明实施方式并不限于上述实施例中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式
不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施例之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。