专利名称：一种纳米分子筛修饰的电容式气敏传感器的制作方法
技术领域：
本发明属传感器技术领域，具体为一种纳米分子筛修饰的电容式气敏传感器。
背景技术：
气敏传感器能够检测气体的成分和浓度，广泛应用于1)环境保护和监测探测各种有毒有害气体、可燃性气体，检测大气中氟利昂气体及污染大气的NO、SO2气体等；2)工业生产的监测和监控探测汽车尾气、工业废气及车间排换气状况等；3)食品质量分析检验香精等添加剂的含量、酒精浓度及食品新鲜度控制等；4)疾病早期诊断探测人体呼气中特殊气体的含量作为健康状况的预检，是家庭自检或群体普查的方便快捷手段之一。气敏传感器的应用对工业、农业、国防和医疗领域都有非常重要的意义。
气敏传感器的种类繁多，按测量方法可分为电导(阻抗)型、电势型、电化学型、热量型、光敏型及质量型等。现有技术均有一些不足之处，如金属氧化物半导体型气敏传感器其敏感材料(金属氧化物)在特定的气体环境中会发生电阻或电导的变化，该变化可以表达待测气体浓度。由于敏感层需要在高温下工作，而且温度必须控制在特定范围内才能获得最佳响应，因此这类传感器虽然结构简单，但其存在产品一致性差、选择性不好、并需要复杂的信号处理电路、功耗大等缺点。而场效应晶体管栅区敏感膜对气体的吸附，可以引起栅极金属功函数的变化，并引起晶体管ID电流改变，变化值表达了气体浓度高低。这类电势型气敏传感器的稳定性和一致性也比较差，有待进一步改进。电化学型气敏传感器则需要建立一个电化学体系，结构复杂，必须定期标定，使用很不方便。另外几类传感器由于敏感原理涉及光、声波、机械能等与电学量之间的能量转换，其测量系统都很复杂。

发明内容
本发明的目的在于提出一种系统稳定性好，且结构简单，使用方便的气敏传感器。
本发明提出的气敏传感器，是一种电导(阻抗)型电容式气敏传感器。它由除湿腔和敏感腔两部分组成，其结构如图1所示。其中，敏感腔由两块电容极板及位于二极板间的介质层组成。该介质层采用载有纳米分子筛敏感材料的纸质纤维膜。除湿腔采用由半导体制冷片和2-5级气组成的制冷结构。除湿腔底部设有进气口，除湿腔的上部与敏感腔由孔道连通，敏感腔的另一侧设有气出口。
本发明中，除湿腔使流经的样品气体中的水蒸汽被冷却成微水珠，实现水分与气体的分离，而不影响原来待测气体样品的浓度，又可消除水汽对待测气体的影响。敏感腔内设计有敏感电容，通过特定纳米分子筛的作用，将特定待测气体的浓度转换为电容信号输出。
每感腔中不同的介质层对不同的气体有不同的响应。当对某种气体响应时，介质层的介电常数发生变化，从而导致电容值的改变。测出电容(改变)值，即可获得被测气体的浓度。
本发明利用载有纳米分子筛敏感材料的纸质纤维作为介质层，对特定气体敏感的纳米分子筛采用相应的工艺，固定在纤维纸片上。该纤维膜既是电容的绝缘电介质层，又是被测气体的敏感膜。它具有丰富的微孔结构，良好的水热稳定性，以及可以调控的表面特性，可以吸附一定大小的气体分子。通过改变分子筛的微孔结构尺寸和对分子筛孔道、孔穴进行必要的化学修饰，可以实现纳米分子筛对特定气体分子的最大吸附。因此，载有该纳米分子筛的纸质纤维膜使敏感膜对特定气体的选择性大大提高。
为保证被测气体在电容敏感腔内能快速充分地弥漫，最大限度地利用敏感层的介电常数的改变以获得高灵敏度，两个电容极板被设计成多孔结构(见图2)。
为了有利于气体路径通畅，充分发挥纳米分子筛的大比表面积的特性，实现快速的物理吸附，介质敏感层可设计成薄膜的结构。由于纳米分子筛为粉末材料，为防止分子筛被气流冲刷脱落，多层纤维膜片将分子筛紧紧的包裹于膜片之间，形成均匀分布的众多的分子筛畴结构。
同时，为了减少气流对电容的冲击，保证气流在腔体内的流动呈层流状态，除湿腔与敏感腔之间的进出孔道采用微孔结构，如孔径可采用Φ5mm-Φ20mm。
本电容极板11的电极引线12接入一个电容测量电路，以便测量并显示电容值。
该传感器的工作原理过程如下含有待测特定气体(即能被敏感分子筛最大吸附的特定分子)的气流以层流状态进入除湿腔，气体中的水汽被脱除。干燥的气流进一步以层流状态进入敏感腔。在外加电场V的作用下，敏感电容的大小由电极形状、大小、二电极的相对位置及介质层的介电常数ε决定。对于平板式电容C=QV=ϵAd]]>式中，Q为极板上所带电荷量，A为极板面积，d为二平行极板的间距。
对于已经制作完成的电容，其几何尺寸一定，电容值的改变只和介质层的介电常数ε相关。当特定气体分子被分子筛吸附后，气体分子即与介质层进行电子交换，电容量由此而改变，气体的浓度越高，被吸附的分子越多，则电容的变化越大，因此，测量电容值的大小可以测定气体的浓度。另外，由于分子筛本身是一种强极性的电介质，它固定在非极性的纤维纸片上后，介质层表面的电场强度增加，当与纳米孔道和孔穴尺寸和性能相匹配的气体分子进入分子筛后，必然在分子筛的大比表面积的微孔结构中发生大量的电子交换，检测的灵敏度由此大大提高。
电容值由电容电极引线接入一个测量电路获得，并可以直接显示出气体浓度值。
本发明提供了一种电容式气敏传感器，它利用多层载有纳米分子筛的纸质纤维膜作为介质层，对特定的气体分子具有很高的选择性，灵敏度也由于强极性分子筛的作用而得到提高。传感器结构简单，价格低廉，可作为一次性传感器，消除了传感器多次测量可能引入的误差。


图1为本发明纳米分子筛修饰的电容式气敏传感器的结构示意图。
图2为本发明的微孔电极板的结构示意图。
图中标号1为除湿腔，2为敏感腔，3为半导体制冷片，4为铝柱体，5为铝柱体的中心孔，6为气室，7为进气口，8为除湿腔与敏感腔的连接通道，9为铝柱体上的横向微孔，10为上下气室之间的通道，11为电容极板，12为电容极板的引出线，13为介质层，14为出气口。
具体实施例方式
文献表明，人体呼出气体中如含有一定量的丙酮，即预示该人体有糖尿病的疾患。本发明可被用作检测丙酮气体浓度的疾病早期诊断传感器，它不需要任何对人体的介入，即可获得检测结果，同时作为抛弃型气敏传感器可以阻断交叉感染的途径。
该气体传感器采用ZSM-5分子筛为敏感材料。其制备方法如下将分子筛材料经玛脑研碎研磨30分钟后，加入适量的CMOS无水乙醇，于超声波混合仪中超声处理30分钟，成为悬浮状液体，然后将预先成型的多片超薄的砂纸园片浸于该悬浮液中，取出置于干净的培养皿中，并在200℃烤箱内烘一个小时解吸乙醇后，即得介电敏感膜，该敏感膜要置于干燥塔内保存，并在干燥操作箱内组装成传感器的敏感腔。其中的电容极板为圆形，其开有若干均匀分布的直径为0.5mm的小孔。介电敏感膜的层数4-8层。
除湿腔分为3级(即3个气室)，其直径为50-100mm，每级气室的高度为40-60mm。采用半导体制冷片，该制冷片设于铝柱体顶端，铝柱体直径为20-30mm，中心设有贯穿上下的洞孔，中心洞孔的直径为3-5mm。每级气室的底部处的铝柱体上开有一些通向中心洞孔的微孔，该微孔直径可为1-1.5mm，供气室中形成的冷凝水从该微孔进入中心洞孔，滴出除湿腔。除湿腔的上、下层气室之间在侧面设有气体连通管道，该管道直径为3-6mm。如图1所示组装，即得除湿腔。
测量的样气为氮气中混合有一定浓度的丙酮(100ppm)，共有两组敏感电容的测量数据见表一。同时为了表明本应用对丙酮气体的高选择性，我们还用同一个气敏传感器对乙醇气体(分子量和极性均与丙酮相似)进行了测量，结果也列在表一中。测量时间为10秒。

表一、对丙酮敏感的纳米分子筛修饰的电容式气敏传感器的测量结果从表中可以看到，该种分子筛对丙酮气体有非常高的选择性，在吸附丙酮气体100ppm后，电容值平均上升7.5pF，而在吸附乙醇气体100ppm10秒后，电容值平均下降10.5pF，呈现了与丙酮完全不同的响应。
权利要求
1.一种纳米分子筛修饰的电容式气敏传感器，其特征在于由除湿腔(1)和敏感腔(2)两部分组成，其中敏感腔(2)由两块电容极板(11)及位于两极板之间的介质层(13)构成，该介质层(13)采用载有纳米分子筛敏感材料的纸质纤维膜；除湿腔(1)采用半导体制冷片(3)和2-5级绝热气体膨胀室(6)组成的制冷结构；除湿室(1)底部设有进气口(7)，除湿室(1)的上部与敏感室(2)之间设有连通孔道(8)，敏感腔的另一侧设有出气口(14)。
2.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于两个电容极板(11)设计成多孔结构。
3.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于介质敏感层膜设计成薄膜结构。
4.根据权利要求3所述的气敏传感器，其特征在于分子筛材料被紧紧包裹于多层纤维膜的膜片之间，形成均匀分布的分子筛畴结构。
5.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于电容极板(11)的引出线(12)接入电容测量电路。
6.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于针对不同的待测气体，选用相应的分子筛敏感材料。
7.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于电介敏感膜的层数为4-8层。
8.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于除湿腔(1)分为3个气室(6)，其直径为50-100mm，每级气室(6)的高度为40-60mm，半导体制冷片(3)设于铝柱体(4)的顶部，铝柱体(4)直径为20-30mm，中心有直径为3-5mm的洞孔(5)，每个膨胀室(6)的底部处的铝柱体侧向开有直径为1-1.5mm的通向中心洞孔(5)的微孔(9)，上、下膨胀室(6)之间设有直径为3-6mm的气体连通管道(10)。
9.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于敏感材料采用ZSM-5分子筛。
全文摘要
本发明为一种纳米分子筛修饰的电容式气敏传感器。它由除湿腔和敏感腔两部分组成。其中，敏感腔由两块电容极板及中间的介质层组成，该介质层采用载有纳米分子筛敏感材料的纸质纤维膜。待测样品气体经过除湿腔后去除掉其中的水汽，在敏感腔中通过特定纳米分子筛的作用，将气体的浓度转换成电信号输出。通过测量电容改变值，即可获得气体浓度。本传感器结构简单，价格低廉，灵敏度高。
文档编号G01N27/02GK1529156SQ200310107840
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月10日 优先权日2003年10月10日
发明者黄宜平, 刘全 申请人:复旦大学