[发明专利]一种大规模阵列气体传感器及其制备方法

说明书

本发明属于气体传感器相关技术领域，其公开了一种大规模阵列气体传感器及其制备方法，所述传感器从下到上依次包括基底、信号电极阵列、中层绝缘层、测量电极阵列、顶层绝缘层、电极材料阵列以及一气敏膜，其中：信号电极阵列、测量电极阵列以及电极材料阵列的阵列单元相同，测量电极阵列中一半数量的阵列单元分别与电压供给端连接且每一连接支路上设置有开关，另一半数量的阵列单元分别与接地端连接且每一支路上设置有开关；电极材料阵列的阵列单元中各阵列单元的材料组分互不相同；气敏膜覆盖于电极材料阵列表面。本申请通过电极材料均不相同的阵列单元与同一气敏膜可以实现多种不同的气敏膜‑电极界面信号，进而可以实现对多种气体的精准识别。

技术领域

本发明属于气体传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种大规模阵列气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着时代的发展和科技的进步，人们对美好生活的需求日渐增长，对大自然的认识也越发丰富，逐渐地，更多领域的研究人员们发现对某些种类的气体的检测有益于领域的发展以及人们生活水平的提高，例如：在医疗领域，人们发现某些疾病甚至癌症的患者呼出的气体内某些有机气体的含量会高于正常人；在工业领域，对采矿作业环境内甲烷、硫化氢等易爆且有毒的气体的检测能保障采矿工人的安全。

人工嗅觉系统，也称为电子鼻，是其他传感器技术应用的重要成果，它通过模仿生物嗅觉原来实现对不同气味的识别，主要包括采样模块、气体传感器阵列、信号预处理模块等部分。气体传感器阵列是人工嗅觉系统的核心部分，主流采用金属氧化物气体传感器阵列，这是因为金属氧化物(MOX)气体传感器具有易微型化、敏感性高、交叉广谱响应等特性。但目前的人工嗅觉技术与生物嗅觉相比尚存在如下缺陷：其一，生物嗅觉系统具有布尔型响应特征，且对不同气体具有可叠加的响应特性；人工嗅觉系统采用连续型响应特征，且对不同其他具有严重的交叉响应特性，这意味着目前的人工嗅觉技术在识别混合气体时将呈现出差的气敏选择性，识别效率较低；其二，生物嗅觉系统的传感器单元数量庞大，能产生更多响应模式，可识别的气体种类非常多，然而现有技术中考虑到制造工艺的复杂性，人工嗅觉系统中金属氧化物气体传感阵列一般只含有4～16个传感单元，数量较少，可识别的气体种类少，这使得目前的电子鼻技术只能解决小而专的应用场景，不具有通用性，限制了其广泛使用。中国专利CN111413375A公开了一种基于气敏膜-电极界面电阻信号的气体传感器，其虽然可以增强传感器对气体的选择性，但其依然受限于现有技术的限制，阵列单元依旧只能是小规模。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大规模阵列气体传感器及其制备方法，通过电极材料均不相同的阵列单元与同一气敏膜可以实现多种不同的气敏膜-电极界面信号，进而可以实现对多种气体的精准识别。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大规模阵列气体传感器，其特征在于，所述传感器从下到上依次包括基底、信号电极阵列、中层绝缘层、测量电极阵列、顶层绝缘层、电极材料阵列以及一气敏膜，其中：所述信号电极阵列包括偶数个阵列单元；所述测量电极阵列的阵列单元与所述信号电极阵列的阵列单元一一对应连接，并且所述测量电极阵列中一半数量的阵列单元分别与电压供给端连接且每一连接支路上设置有开关，另一半数量的阵列单元分别与接地端连接且每一支路上设置有开关；所述电极材料阵列的阵列单元与所述测量电极阵列的阵列单元一一对应连接，其中，所述电极材料阵列的阵列单元中各阵列单元的材料组分互不相同；所述气敏膜覆盖于所述电极材料阵列表面。

优选地，所述基底和信号电极阵列之间还依次包括加热测温电极和底层绝缘层。

优选地，所述信号电极阵列的阵列单元的个数为2ⁿ个。

优选地，所述气敏膜的成分为半导体金属氧化物或其掺杂、复合或改性的材料，其结构为纳米棒、纳米线、纳米片或纳米颗粒中的一种或几种组合。

优选地，所述基底的材料为氧化锆陶瓷片，其厚度为0.01mm-0.5mm。