[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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 Temperature Co-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，另外，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。

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CO₂，O₂，NH₃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

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NH₃和NO₂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。

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。

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NH₃和NO₂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。

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-SiO₂玻璃和Al₂O₃陶瓷。

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。

较佳地，所述金属硫族化合物为SnS₂、MoS₂、和WS₂中的至少一种。

较佳地，所述气敏膜为二维纳米材料，所述气敏膜的厚度为5μm～10μm。

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。

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；