[发明专利]一种用于环境监测传感器的气敏元件及环境监测传感器

说明书

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体地说，是涉及一种用于监测环境空气中痕量有害气体的气敏元件以及采用该气敏元件设计的环境监测传感器。

背景技术

随着社会的发展和人民生活水平的改善，环境空气中有害气体的污染越来越受到人们的关注。特别是日益发达的交通及迅速增加的私家车辆排放的气体污染城市空气，室内装修带来的甲醛、苯、氨等气体威胁着人类的健康。如空气中苯，对人体的健康有着很大的危害，容易造成眩晕、头疼、乏力，严重时造成人体再生障碍性贫血以及白血病等。空气中甲醛主要危害为基因毒性，主要来源于装修材料，如各类脲醛树脂类板材、皮革等，而且甲醛、苯已经被世卫组织认定为致癌物，因此监测环境空气中这些气体的污染十分必要。但是，这些痕量有机气体浓度很低，主要在ppb-ppm量级范围内。而传统的检测方法都是以采样后的实验室分析为基础的，这种传统技术存在很多不足，主要表现在：（1）由于所采集的空气样品必须送回实验室进行分析，因此不具有时效性，而且采样和分析过程十分复杂；（2）由于所分析的气体浓度很低，因此需要长时间的采样，大部分需要20分钟以上的采样时间；（3）在实验室分析过程中，存在很多的系统误差，而且以点进行的采样，所检测结果的代表性较差，分析测试成本很高。因此传统的实验室分析方法成本高、效率低、需要专业的技术人员和昂贵的仪器设备，并且不能做到实时监控。

近年来，基于光纤技术的传感器制造技术已经得到了很大的发展，但是只是集中在物理量的传感方面，如磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光、电流和应变等物理量的测量。在有机气体方面，特别是环境空气中痕量有机气体监测领域，真正实用、低成本、产品化的研究成果极少。

因此，开发出低成本、高精度、多种污染物同时监测的在线分析技术成为当前工作场所、公共场所乃至家庭检测的一个迫切解决的问题之一。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种用于环境监测传感器的气敏元件，可以应用在复杂环境下，对环境空气中的多种痕量有机气体进行检测，而且制造成本低、精度高、稳定性强。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于环境监测传感器的气敏元件，包括基板和在基板上刻蚀的至少一道光波导底板，在所述光波导底板上设置有光波导层，所述光波导层上设置有高灵敏度层，所述高灵敏度层的成分为95%～99.5%的五氧化二钽（Ta₂O₅）和0.5%～5%的钇（Y），所述高灵敏度层的厚度为50～200nm，所述高灵敏度层上设置有气体敏感材料层。

进一步的，所述高灵敏度层的成分为98%～99.5%的五氧化二钽（Ta₂O₅）和0.5%～2%的钇（Y）。

更进一步的，所述高灵敏度层的成分为98.5%～99.2%的五氧化二钽（Ta₂O₅）和0.8%～1.5%的钇（Y）。

优选的，所述高灵敏度层的成分为99%的五氧化二钽（Ta₂O₅）和1%的钇（Y）。

进一步的，所述高灵敏度层的厚度为50～150nm。

更进一步的，所述高灵敏度层的厚度为80～120nm。

优选的，所述高灵敏度层的厚度为100nm。

为了监测环境空气中的氨气，所述气体敏感材料层为对氨气敏感的材料，所述气体敏感材料层的成分为99.9%～99.999%的氧化铌（Nb₂O₅）和0.001%～0.1%的钯（Pd），所述气体敏感材料层的厚度为5～20nm。

进一步的，所述气体敏感材料层的成分为99.95%～99.995%的氧化铌（Nb₂O₅）和0.005%～0.05%的钯（Pd）。

更进一步的，所述气体敏感材料层的成分为99.97%～99.992%的氧化铌（Nb₂O₅）和0.008%～0.03%的钯（Pd）。

优选的，所述气体敏感材料层的成分为99.99%的氧化铌（Nb₂O₅）和0.01%的钯（Pd）。

进一步的，所述气体敏感材料层的厚度为6～15nm。

更进一步的，所述气体敏感材料层的厚度为8～12nm。

优选的，所述气体敏感材料层的厚度为10nm。