[发明专利]一种外部控温型智能气敏分析装置

说明书

技术领域

本发明属于气敏分析装置领域，特别涉及一种外部控温型智能气敏分析装置，其特点是可实现对材料气敏特性的直接分析，摆脱了材料气敏特性研究对传感器件的依赖。

背景技术

气体传感器在环境、工业、食品、交通、国防等领域都有重要的应用价值，自发现起就引起了人们的广泛兴趣。目前市场上最常用的气体传感器是基于半导体氧化物材料制作成旁热式传感器件，这类传感器的优点是稳定性高、一致性好，但是也存在着选择性差、工作温度高、灵敏度低、检测限低等缺陷，需要研究新材料弥补其不足。近年来，随着对材料科学研究的深入，出现了有机半导体、共轭聚合物、碳材料(包括纳米管、石墨烯)等新型的气敏材料。传统的气敏材料研究需要将材料制成上述旁热式器件，即将材料研磨调和成浆料后涂覆到陶瓷管上，然后再焊接到底座上，最后从陶瓷管芯穿入用于给器件供热的加热丝并焊接，待器件制作完成后才可使用相应的设备分析其气敏特性。这种方式不仅操作复杂，还具有一定的局限性，特别是不能用于薄膜型的材料和粘附性差且不易烧结的气敏材料的特性研究。

半导体加工工艺特别是硅器件的发展使平面型器件在气体传感器领域得到应用，这类器件能够解决新型材料的器件化问题，但是需要使用多层衬底制作器件，在衬底上需同时集成测量电极、加热电极和测温电极以同时实现测量和控温，通常这种多层衬底制作的工艺复杂、成本较高。

发明内容

为解决上述技术方案中旁热式气体传感器在材料研究的局限性，同时降低开发平面型气体传感器的成本，本发明提供了一种外部控温型的气敏分析装置，该系统使用探针直接连接被测材料以测量材料的气敏特性，操作简单、方便快捷。

本发明所述的外部控温型的气敏分析装置主要优点是采用外部控温的方式，通过控温装置直接对衬底进行加热，加热温度可控，无需在衬底上制作加热电极和测温电极，节约了成本；使用探针连接材料及测量电路，每次测量只需更换衬底并调节探针位置，省去了传统器件需要焊接的过程，也避免了陶瓷管型器件往往需要研磨和再次焙烧的过程，不会破坏材料的形貌和结构，而且测试样品的规格大小可灵活设计，无论是自支撑的薄膜、块体材料，还是生长或者组装在平面衬底上的材料，或是直接涂覆或沉积到衬底上的材料均可直接测试；测量模式可选，测量全程无需换挡，系统软件同步读数，数值可表示出多种灵敏度模式，直观便捷；支持静态配气、动态配气、不同压强下的气敏测试，灵活方便、适用面广。

本发明所述的外部控温型气敏分析装置包括测试平台(1)、气室(2)、控制系统(3)、冷却水循环箱(4)、真空泵(5)、动态配气系统(6)及测试软件(7)等部分。

本发明所述的测试平台(1)内部包括控温装置(11)、探针调节装置(12)、液体蒸发器(13)、风扇(14)、照明(15)、真空计(16)、抽真空通道(17)、气路(18)、温湿度传感器(19)。

本发明所述的控温装置(11)由样品测试台(111)、内埋的加热丝(112)、温度传感器(113)以及加热丝(112)周围包覆的水冷保护系统(114)组成，样品测试台(111)为不锈钢或者陶瓷材质，外部为一直径10mm～100mm，用于测试时放置样品并控制样品工作温度。加热丝(112)在施加一定的加热电流后能够提供热量，温度传感器(113)为之提供反馈，实时调整加热电流，水冷保护系统(114)外部连接冷却水循环箱(4)为系统提供水冷保护，辅助调节温度并保护其他部件。探针调节装置(12)包括调节支架(121)和弹性探针(122)两部分，调节支架(121)为金属材质，可实现探针的X-Y-Z三向调节，调节精度0.001mm～0.1mm，调节总距1mm～20mm，用于控制探针与材料之间的接触位置；弹性探针(122)有粗细不同的尖头、平头、梅花头等多种型号，外部镀金，接触电阻极小、耐腐蚀性好，探针的弹性端直接接触测试样品，另一端相连测量电极。

本发明所述的测试样品可以是有固定形状能够直接用弹性探针(122)接触的薄膜、块体材料，也可以是有电极衬底支撑的粉体、薄膜、孔状、块体材料。插指状的电极衬底(8)是最常用的电极衬底，其衬底材质多为陶瓷和硅，插指状电极为Au或Ag-Pd材质，通常每个衬底上包含有两对以上的电极，电极长度1mm～50mm，宽度0.01mm～10mm，厚度0.01mm～1mm，间距宽度0.01mm～10mm。使用插指状的电极衬底(8)制作测试样品时，只需将弹性探针(122)压在衬底两端的金属衬垫上。