阅读说明：本技术 基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器 (Matrix type broad-spectrum substance detection sensor built based on semiconductor functional material ) 是由 颜凯 廖杰 周牡艳 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器,属于传感器技术领域。本基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器,包括信号转换板,信号转换板上设置有用于与上位机连接的通信接口,信号转换板上设置有若干个呈矩阵式排列的用于对不同气体进行检测的半导体检测元件,每个半导体检测元件均包括设置于信号转换板正面用于感测气体物质的检测用元件、设置在信号转换板背面的参考用元件和差动放大电路,检测用元件连接于差动放大电路的第一输入端,参考用元件连接于差动放大电路的第二输入端,差动放大电路的输出端作为每个半导体检测元件的输出端与通信接口连接。本发明解决检测单一、检测准确性差的问题。(The invention provides a matrix type broad-spectrum substance detection sensor built based on a semiconductor functional material, and belongs to the technical field of sensors. This matrix broad spectrum material detection sensor based on semiconductor function material is built, including the signal conversion board, be provided with the communication interface that is used for being connected with the host computer on the signal conversion board, be provided with the semiconductor detection component that a plurality of is the matrix and arranges being used for detecting different gas on the signal conversion board, every semiconductor detection component is all including setting up in the detection that the signal conversion board openly is used for sensing gaseous material with the component, set up at the reference component and the differential amplifier circuit at the signal conversion board back, the component is connected in the first input of differential amplifier circuit for the detection, the reference component is connected in the second input of differential amplifier circuit, the output and the communication interface that every semiconductor detection component was regarded as to the output of differential amplifier circuit are connected. The invention solves the problems of single detection and poor detection accuracy.)

基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，被广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。

随着生活水平的日益提升，建筑装饰越来越多进入人们的生活中，通过装饰能够提高人们的居住生活品质，但是伴随而来的是装饰材料中含有的大量有毒有害物质，随着人们对此关注度日益增加，从而建筑家装领域对环保材料的要求日益提升，市场对各类高灵敏度有毒有害气体传感器的需求量迅猛增长。目前气体传感器主要有半导体气体传感器、电化学气体传感器和红外线气体传感器。上述几种传感器均存在检测稳定性差，检测灵敏度不高、检测单一、通用性差等问题，从而造成对有毒有害气体检测不准确、不够全面，导致检测效果有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器，以解决现有技术中检测单一、检测准确性差导致传感器检测效果不佳的问题。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器，包括信号转换板，所述信号转换板上设置有用于与上位机连接的通信接口，其特征在于，所述信号转换板上设置有若干个呈矩阵式排列的用于对不同气体进行检测的半导体检测元件，每个所述半导体检测元件均包括设置于信号转换板正面用于感测气体物质的检测用元件、设置在信号转换板背面的参考用元件和差动放大电路，所述检测用元件连接于差动放大电路的第一输入端，所述参考用元件连接于差动放大电路的第二输入端，所述差动放大电路的输出端作为每个半导体检测元件的输出端与所述通信接口连接。

在上述的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器中，所述检测用元件具有绝缘基底、电极和气敏层，所述电极印在所述绝缘基底上，所述气敏层形成在所述绝缘基底上；所述参考用元件具有绝缘基底和电极，所述电极印在所述绝缘基底上。

在上述的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器中，所述气敏层为氧化锡系、氧化锌系或氧化铁系半导体材料中的一种或多种，所述气敏层超微粒化或薄膜化形成在实施时绝缘基底上。

在上述的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器中，所述气敏层上还覆盖有SiO2过滤层。通过SiO2过滤层能够过滤掉大分子气体如乙醇等对小分子H2检测的干扰。

在上述的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器中，在所述气敏层覆盖Pd—Pt催化剂层，所述Pd—Pt催化剂层设置在气敏层和SiO2过滤层之间。

在上述的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器中，所述检测用元件还包括第一放大器，所述参考用元件还包括第二放大器。

在上述的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器中，所述第一放大器和所述第二放大器的阻抗不同。

与现有技术相比，本基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器具有以下优点：本发明采用矩阵式布置，实现了多元检测，消除了现有技术检测单一的问题；另外采用参考用元件结合检测用，利用差分放大器消除共模干扰，提高了检测精准度；同时还具对微弱信号进行放大，提高了对微弱信号的检测精准度。

附图说明

图1是实施例一的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器的结构示意图。

图2是实施例一的基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器立体视角的结构示意图。

图3是实施例一的半导体检测元件电路框图。

图4是实施例一的半导体检测元件的剖视图。

图5是实施例一的半导体检测元件检测时气体浓度与阻值的关系图。

图6是实施例二的半导体检测元件的剖视图。

图中，1、信号转换板；2、通信接口；3、半导体检测元件；4、检测用元件；5、参考用元件；6、差动放大电路；7、绝缘基底；8、电极；9、气敏层；10、参考电阻；11、第一放大器；12、第二放大器；13、SiO₂过滤层；14、Pd—Pt催化剂层；15、隔膜层。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一：

如图1-3所示，本基于半导体功能材料搭建的矩阵式广谱性物质检测传感器包括信号转换板1，信号转换板1上具有用于与上位机连接的通信接口2，此外，在信号转换板1上设置有若干个半导体检测元件3，这些半导体检测元件3呈矩阵式排列，在本实施例中，这些半导体检测元件3排列成3*4矩阵，每个半导体检测元件3分别用于对不同气体进行检测。

具体的说，每个所述半导体检测元件3均包括检测用元件4、参考用元件5和一个差动放大电路6。其中检测用元件4设置于信号转换板1正面，以对气体物质进行检测；参考用元件5设置在信号转换板1反面，其不对气体物质进行检测，仅作为参考用。差动放大电路6采用差动放大器，检测用元件4连接于差动放大电路6的第一输入端，参考用元件5连接于差动放大电路6的第二输入端，差动放大电路6的输出端作为每个半导体检测元件3的输出端与通信接口2连接，利用差动放大器来消除干扰信号，实现抗共模干扰的目的。

如图4所示，检测用元件4具有绝缘基底7、电极8和气敏层9，电极8印在绝缘基底7上，气敏层9形成在绝缘基底7上，电极8数量有两个，分别设置在气敏层9的两侧，且每个电极8的一端均与气敏层9连接，每个电极8的另一端与信号转换板1连接。需要说明的是，差动放大电路6蚀刻在信号转换板1上，此外，信号转换板1内还蚀刻有导线，电极8通过导线和差动放大器连接。同理，参考用元件5具有绝缘基底7、电极8和参考电阻10,两个电极8分别连接在参考电阻10的两端，且电极8通过导线和差动放大器连接。

为了提高半导体检测元件3的检测灵敏度，在检测用元件4上还连接了第一放大器11，在参考用元件5上还连接了第二放大器12，第一放大器11和第二放大器12采用不同的阻抗，且第一放大器11和第二放大器12同样设置在信号转换板1内，检测用元件4的电极8通过导线连接在第一放大器11上，继而连接在差动放大器的第一输入端，参考用元件5的电极8通过导线连接在第二放大器12上，继而连接在差动放大器的第二输入端。

气敏层9为氧化锡系、氧化锌系或氧化铁系半导体材料中的一种或多种，气敏层9超微粒化或薄膜化形成在实施时绝缘基底7上。本实施例中，气敏层9以氧化锌系的ZnO膜层为例进行说明，在ZnO膜层上覆盖有SiO2过滤层13。通过SiO2过滤层13能够过滤掉大分子气体如乙醇等对小分子H2检测的干扰。采用ZnO膜层的气敏层9特性如图5所示，气体浓度和阻值基本成一直线。

实施例二：

如图6所示，本实施例是基于实施例一的基础进行的进一步改进，本实施例与实施例一的不同之处在于：在气敏层9上还覆盖Pd—Pt催化剂层14，Pd—Pt催化剂层14设置在气敏层9和SiO2过滤层13之间，并且Pd—Pt催化剂层14和气敏层9之间还设置了隔膜层15。这种结构由于在半导体材料ZnO膜层和Pd—Pt催化剂层14之间设置了隔膜层15，因而期间在空气中的阻值约上升一个数量级，结果使元件检测气体的灵敏度上升，其原因是ZnO中Zn过剩，Zn离子又吸附空气中的氧，在催化剂的作用下，促进大气中的氧的吸附，导致晶界势垒增加，元件中空气的阻值R上升。如果这时接触还原性气体，晶界势垒降低，导电率增加。特别在加入催化剂后，催化剂填入半导体晶粒之间降低接触势垒，从而进一步提高了气敏效应。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。