一种气敏探测模块、制造方法及系统
阅读说明：本技术 一种气敏探测模块、制造方法及系统 (Gas-sensitive detection module, manufacturing method and system ) 是由 耿魁伟 徐志平 刘玉荣 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种气敏探测模块、制造方法及系统,该气敏探测模块,包括半导体基底,在所述半导体基底上集成有若干个气敏传感器阵列单元和外部电路；所述外部电路,用于对外部电压进行分压；所述气敏传感器阵列单元均包括电极阵列和气体探测薄膜阵列；所述气体探测薄膜阵列用于探测环境中的气体种类和浓度；所述电极阵列和所述外部电路相连接,所述气体探测薄膜阵列覆盖在电极阵列上,当气体探测薄膜阵列在遇到敏感气体时,电极阵列用于调整气体探测薄膜阵列的薄膜电阻。通过将气体探测薄膜阵列覆盖在电极阵列上,当气体探测薄膜阵列在遇到敏感气体时,在电极阵列的作用下能够维持薄膜电阻不会发生改变,从而提高探测的精度以及抗干扰能力。(The invention discloses a gas-sensitive detection module, a manufacturing method and a system, wherein the gas-sensitive detection module comprises a semiconductor substrate, wherein a plurality of gas-sensitive sensor array units and an external circuit are integrated on the semiconductor substrate; the external circuit is used for dividing external voltage; the gas sensor array units respectively comprise an electrode array and a gas detection film array; the gas detection film array is used for detecting the gas species and the concentration in the environment; the electrode array is connected with the external circuit, the gas detection film array covers the electrode array, and when the gas detection film array meets sensitive gas, the electrode array is used for adjusting the film resistance of the gas detection film array. Through covering the gas detection film array on the electrode array, when the gas detection film array meets sensitive gas, the film resistance can be maintained to be unchanged under the action of the electrode array, so that the detection precision and the anti-interference capability are improved.)
技术领域
本发明涉及检测技术，具体涉及一种气敏探测模块气敏探测模块、制造方法及系统。
背景技术
随着科技水平的发展，气体检测在矿井安全、污染源检测、医疗卫生等各个领域有着越来越广泛的运用。
电子鼻是一种能够识别和量化目标气体的人工嗅觉系统，一般由气敏传感器阵列，数据采集系统和模式识别系统三部分构成，其中，气敏传感器阵列一般由多个不同材料体系，制作工艺和工作方式不同的分立传感器元件构成，这些气敏传感器对于工作环境的温度和湿度要求必然不一样，虽然我们可以通过外部补偿的方式来调整，必然会造成系统体积增大，功耗增加的后果，不利于系统的集成化发展。
传统气敏传感器在气体探测方面往往是对一个类别的气体都会有响应，例如氧化铁@石墨烯气敏传感器对于乙醇、丙酮、氨等还原性气体都有一定的响应。另一方面，气敏传感器的响应度一般会随着气体的浓度增加而增加，直至饱和。所以传统的气敏传感器在探测气体时，需要根据气体情况进行设置与选择，才能准确探测气体浓度。传统的气敏传感器元件缺少对干扰气体的处理能力。
发明内容
为了解决传统的气敏传感器元件缺少对干扰气体的处理能力的问题，本发明的目的旨在提供气敏探测模块、制造方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种气敏探测模块，包括半导体基底，在所述半导体基底上集成有若干个气敏传感器阵列单元和外部电路；
所述外部电路，用于对外部电压进行分压；
所述若干个气敏传感器阵列单元均包括电极阵列和气体探测薄膜阵列；所述气体探测薄膜阵列用于探测环境中的气体种类和浓度；所述电极阵列和所述外部电路相连接，所述气体探测薄膜阵列覆盖在电极阵列上，当气体探测薄膜阵列在遇到敏感气体时，电极阵列用于调整气体探测薄膜阵列的薄膜电阻。
进一步地，在所述半导体基底上还集成有加热电阻，以采用旁热式加温的方式，使气体探测薄膜阵列能够工作在适合的工作温度下。
进一步地，所述电极阵列采用多个电极组合的形式而组成，单个电极采用的是叉指电极的形式。
第二方面，本发明实施例提供了一种气敏探测模块的制造方法，包括：
步骤1：采用基本的半导体制造工艺，首先在半导体基底上制备外部电路和电极阵列；
步骤2：在半导体基底的表面涂上光刻胶，用来保护外部电路；在电极阵列所在区域，首先溅射一层氧化锌种子层，然后水热生长氧化锌纳米棒作为牺牲层，最后通过置换反应腐蚀氧化锌纳米棒，得到氧化铁纳米柱阵列；
步骤3：对在步骤2中制得的薄膜进行掺杂，使用磁控溅射对各个薄膜部分进行不同的掺杂；
步骤4：去除光刻胶，老化处理后得到气敏探测模块。
第三方面，本发明实施例提供了一种气体探测系统，包括电源模块、气敏探测模块、数据采集模块以及模式识别和显示模块；
所述电源模块用于为气敏探测模块、数据采集模块以及模式识别和显示模块的工作提供电量；
所述气敏探测模块用于探测环境中的敏感气体，包括半导体基底，在所述半导体基底上集成有若干个气敏传感器阵列和外部电路；所述外部电路，用于对电源模块的电压进行分压；所述若干个气敏传感器阵列单元包括电极阵列和气体探测薄膜阵列；所述气体探测薄膜阵列用于探测环境中的气体种类和浓度，并以电压信号的方式输出；所述电极阵列和所述外部电路相连接，所述气体探测薄膜阵列覆盖在电极阵列上，当气体探测薄膜阵列在遇到敏感气体时，电极阵列用于调整气体探测薄膜阵列的薄膜电阻；
所述数据采集模块用于采集气敏探测模块中实时输出的电压信号，并转换为数字信号输入到模式识别和显示模块；
所述模式识别和显示模块用于分析数据采集模块所输送来的数字信号，以输出识别到的气体种类和浓度并显示。
进一步地，所述模式识别和显示模块用于分析数据采集模块所输送来的数字信号，以输出识别到的气体种类和浓度并显示包括：
前期数据处理和模式识别；
所述前期数据处理包括：通过重复的气敏探测模块制造，确定最佳尺寸；在最佳尺寸下多次测量温度响应，以确定最佳工作温度；在最佳工作温度下，测量气敏探测模块在不同气体，不同浓度下的气敏响应值，反复多次测量得到气敏响应曲线数据；
所述模式识别包括：
A:初始化过程，读入初始化参数，包括初始电阻值，电压值信息，气体的响应特性曲线数据。
B：读取测量数据，在FPGA的控制信号下，读取数据采集部分中的数字信号到FPGA中；
C：计算响应度并处理，根据B步骤中读取的数据与初始数据进行计算得到响应度值，并处理为设定的精度值。
D：查找气敏探测模块中气体类别，根据气体响应度查找气体响应曲线中对应的值点；
E：根据气体的分类信息，查找浓度信息；
F：输出显示。
进一步地，所述查找气敏探测模块中气体类别，根据气体响应度查找气体响应曲线中对应的值点包括：
确定气敏探测模块中的某一气敏传感器阵列单元为标准单元，标准单元中查找气体响应度之后，如果只有一种气体响应度满足要求即输出，如果有多种气体满足要求，即从其他气敏传感器阵列单元中进行补充；直到满足一种气体时，结束输出分类信息和响应值到下一步；如果有多组同时满足，说明当前气体浓度小于探测精度限，返回数据读取阶段。
进一步地，在所述半导体基底上、每一气敏传感器阵列单元的一旁还集成有加热电阻，以采用旁热式加温的方式，使气体探测薄膜阵列能够工作在适合的工作温度下。
本发明的有益效果在于：
本实施例提供的气敏探测模块通过将若干个气敏传感器阵列单元和外部电路集成在半导体基底上，大大提高了气敏探测模块的集成度；同时，通过将气体探测薄膜阵列覆盖在电极阵列上，当气体探测薄膜阵列在遇到敏感气体时，在电极阵列的作用下能够维持薄膜电阻不会发生改变，从而提高探测的精度以及抗干扰能力。
本实施例提供的气体探测系统在外部组成上，模式识别使用FPGA实现，能有效的控制系统的体积，性能处理上，模式识别(FPGA)算法实现中采用查找的方式，可以加快处理的速度。可以准确快速识别出具体的气体种类与浓度，提高气敏元件的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的气敏探测模块的组成示意图；
图2为图1中A-A处的剖面示意图；
图3为本发明实施例二提供的气体探测系统的组成示意图；
图4为前期数据处理的流程图；
图5为模式识别的流程图；
图中：1、半导体基底；2、气敏传感器阵列单元；21、电极阵列；22、气体探测薄膜阵列；3、外部电路；4、加热电阻；10、电源模块；20、气敏探测模块；30、数据采集模块；40、模式识别和显示模块。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
实施例一：
参阅图1-2所示，本实施提供的气敏探测模块包括半导体基底1，在所述半导体基底1上集成有若干个气敏传感器阵列单元2和一外部电路3；所述外部电路3，用于对外部电压进行分压；传统的气敏传感器制造中电路一般在外部集成，系统的集成度降低。这里采用半导体制造工艺，将外部电路3直接集成在基底上，有利于缩小系统体积，增大集成度，图示仅为基本的原理电路。每一所述气敏传感器阵列单元2包括电极阵列21和气体探测薄膜阵列22；所述气体探测薄膜阵列22主要由气体敏感单元组成，通过物理化学方法制备的各种金属氧化物薄膜，其长度、宽度根据基底的大小和所需阵列数量来确定，其厚度根据多次实验来确定最佳参数，用于探测环境中的气体种类和浓度。
所述电极阵列21和所述外部电路3相连接，作为探测信号的部分。电极材料如：Au、Al等，电极的形式不限。所述气体探测薄膜阵列22覆盖在电极阵列21上，当气体探测薄膜阵列22在遇到敏感气体时，电极阵列21用于调整气体探测薄膜阵列22的薄膜电阻。由于气敏薄膜在遇到敏感气体时，其中载流子浓度会发生变化，表现在外部就是薄膜电阻会发生改变，因此在电极阵列的作用下能够维持薄膜电阻不会发生改变，从而提高探测的精度以及抗干扰能力。具体地，在本实施例中，采用的是多个电极组合的形式，所以称为电极阵列。图中单个电极采用的叉指电极的形式，只是电极的一种形式。
由此可知，本实施例提供的气敏探测模块通过将气敏传感器阵列单元和外部电路集成在半导体基底上，大大提高了气敏探测模块的集成度；同时，通过将气体探测薄膜阵列覆盖在电极阵列上，当气体探测薄膜阵列在遇到敏感气体时，在电极阵列的作用下能够维持薄膜电阻不会发生改变，从而提高探测的精度以及抗干扰能力。
作为本实施例的一种优选，在所述半导体基底1上、气敏传感器阵列单元2的一旁还集成有加热电阻4，以采用旁热式加温的方式，使气体探测薄膜阵列22能够工作在适合的工作温度下，适合的工作温度指的是最佳工作温度，以进一步地提高气敏探测模块的探测精度。
实施例二：
本实施例提供了一种气敏探测模块的制造方法，包括：
步骤1：采用基本的半导体制造工艺，首先在半导体基底上制备外部电路和电极阵列；
步骤2：在半导体基底的表面涂上光刻胶，用来保护外部电路；在电极阵列所在区域，首先溅射一层氧化锌种子层，然后水热生长氧化锌纳米棒作为牺牲层，最后通过置换反应腐蚀氧化锌纳米棒，得到氧化铁纳米柱阵列；
步骤3：对在步骤2中制得的薄膜进行掺杂，使用磁控溅射对各个薄膜部分进行不同的掺杂；生长长度约1um。
步骤4：去除光刻胶，老化处理后得到气敏探测模块。
实施例三：
参阅图3所示，本实施例提供的气体探测系统包括电源模块10、气敏探测模块20、数据采集模块30以及模式识别和显示模块40。
其中，该电源模块10用于为气敏探测模块20、数据采集模块30以及模式识别和显示模块40的工作提供电量。
该气敏探测模块20用于探测环境中的敏感气体，包括半导体基底，在所述半导体基底上集成有若干个气敏传感器阵列单元和外部电路；所述外部电路，用于对电源模块的电压进行分压；所述若干个气敏传感器阵列单元均包括电极阵列和气体探测薄膜阵列；所述气体探测薄膜阵列用于探测环境中的气体种类和浓度，并以电压信号的方式输出；所述电极阵列和所述外部电路相连接，所述气体探测薄膜阵列覆盖在电极阵列上，当气体探测薄膜阵列在遇到敏感气体时，电极阵列用于调整气体探测薄膜阵列的薄膜电阻。也就是说，在本实施例中，气敏探测模块采用的是实施例一所描述的气敏探测模块。
该数据采集模块30用于采集气敏探测模块中实时输出的电压信号，并转换为数字信号输入到模式识别和显示模块；也就是说，通过采用数据采集卡可以将模拟信号转换成数字信号，并输出到模式识别模块。
该模式识别和显示模块40用于分析数据采集模块所输送来的数字信号，以输出识别到的气体种类和浓度并显示。即由FPGA实现，分析数据采集部分输入的电压数据，输出识别到的气体种类和浓度。
具体地，所述模式识别和显示模块40用于分析数据采集模块所输送来的数字信号，以输出识别到的气体种类和浓度并显示包括：
前期数据处理和模式识别；
如图4所示，所述前期数据处理包括：通过重复的气敏探测模块制造，确定最佳尺寸；在最佳尺寸下多次测量温度响应，以确定最佳工作温度；在最佳工作温度下，测量气敏探测模块在不同气体，不同浓度下的气敏响应值，反复多次测量得到气敏响应曲线数据；
如图5所示，所述模式识别(FPGA)包括：
A:初始化过程，读入初始化参数，包括初始电阻值，电压值信息，气体的响应特性曲线数据。
B：读取测量数据，在FPGA的控制信号下，读取数据采集部分中的数字信号到FPGA中；
C：计算响应度并处理，根据B步骤中读取的数据与初始数据进行计算得到响应度值，并处理为设定的精度值。
D：查找气敏探测模块中气体类别，根据气体响应度查找气体响应曲线中对应的值点；
E：根据气体的分类信息，查找浓度信息；
F：输出显示。
如此，通过采用上述的前期数据处理和模式识别步骤，可以加快处理的速度。可以准确快速识别出具体的气体种类与浓度，进一步地提高系统的抗干扰能力。
具体地，所述查找气敏探测模块中气体类别，根据气体响应度查找气体响应曲线中对应的值点包括：
确定气敏探测模块中的某一气敏传感器阵列单元为标准单元，标准单元中查找气体响应度之后，如果只有一种气体响应度满足要求即输出，如果有多种气体满足要求，即从其他气敏传感器阵列单元中进行补充。直到满足一种气体时，结束输出分类信息和响应值到下一步；如果有多组同时满足，说明当前气体浓度小于探测精度限，返回数据读取阶段。
作为本实施例的一种优选，在所述半导体基底1上、气敏传感器阵列单元2的一旁还集成有加热电阻4，以采用旁热式加温的方式，使气体探测薄膜阵列22能够工作在适合的工作温度下，适合的工作温度指的是最佳工作温度，以进一步地提高气敏探测模块20的探测精度。
由此可知，本实施例提供的气体探测系统在外部组成上，模式识别使用FPGA实现，能有效的控制系统的体积，性能处理上，模式识别(FPGA)算法实现中采用查找的方式，可以加快处理的速度。可以准确快速识别出具体的气体种类与浓度，提高气敏元件的抗干扰能力。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。