[发明专利]基于MEMS技术的阵列式气味检测元件

说明书

技术领域

本发明涉及气敏传感器领域，具体是一种基于MEMS技术的阵列式气味检测元件。

背景技术

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、数据采集设备和模式识别系统三部分构成，其中，气敏传感器阵列由多个材料体系、制作工艺和工作方式相同或不同的传感器构成（例如：金属氧化物半导体传感器、质量型气敏传感器、电化学型气敏传感器、声表面波传感器等等），利用各气敏传感器对复杂成分气体都有响应却又互不相同这一特点，更加全面地获得测试样本的气味信息，同时借助数据处理方法对多种气味进行识别，进而对测试样本的气味进行分析与评定；为此，在条件允许的情况下，人们会选择尽可能多的材料体系不同的气敏传感器构成传感器阵列。

但是由于构成气敏传感器阵列的各传感器存在材料体系、制作工艺和工作方式上的不同，各气敏传感器的稳定性必然存在差异，而且各气敏传感器受环境温度、湿度的影响也必然不同，尽管人们通常会对这些外在条件进行控制，或用一些辅助或补偿措施来弥补这方面的不足，各传感器在使用过程中仍会因外在或内在因素（如：外界环境影响、元件使用过程中的正常老化等）的影响，使各传感器的响应特性发生不一致的漂移（即各传感器响应信号之间的平衡被打破），进而影响模式识别系统对目标气味的正确识别和量化；此外，由于电子鼻的气敏传感器阵列是由多种传感器组成，往往体积大、功耗多，也不利于电子鼻的集成化发展。

发明内容

本发明为了解决现有电子鼻所用气敏传感器阵列中的个体存在响应特性漂移不一致的问题，提出了一种基于MEMS技术的阵列式气味检测元件。

本发明是采取如下技术方案实现的：基于MEMS技术的阵列式气味检测元件，包括半导体基底，以及在半导体基底上采用MEMS加工工艺加工得到的：气味敏感单元、用以检测气味敏感单元工作温度的感温单元、用以将气味敏感单元加热至所需工作温度的加热单元；所述气味敏感单元包含按照阵列排布的若干气敏型金属氧化物薄膜，且各薄膜为尺寸参数各异的同种气敏型金属氧化物，各薄膜上分别设有两个用于与数据采集设备连接的电极。其中，气味敏感单元中气敏型金属氧化物薄膜的尺寸参数包括厚度、长度、宽度，气味敏感单元中各薄膜的具体尺寸参数需根据本发明所述检测元件的目标检测气体种类、具体应用场合，以及在各种浓度目标检测气体的环境下，该气敏型金属氧化物的选择特性、灵敏度、长期稳定性等因素来共同确定；而整个确定过程是重复性劳动过程，需要重复进行软件仿真、样品加工、实验室测试、依据测试结果调整尺寸参数，直至获得多组可实现的最佳尺寸参数；以最佳尺寸参数加工检测元件成品，进行实验室测试，记录检测元件中各气敏型金属氧化物薄膜对不同浓度目标气体的响应特性曲线，不同浓度目标气体分别对应一组响应特性曲线，各组响应特性曲线是识别目标气体种类、量化目标气体浓度的基础，即基准响应特性曲线，基准响应特性曲线以组划分，每组基准响应特性曲线与相应浓度的目标气体对应。此外，本发明所选气敏型金属氧化物应易于采用MEMS技术在半导体基底上加工为薄膜结构。

应用所述阵列式气味检测元件的电子鼻识别目标气体的方法，所述电子鼻包括基于MEMS技术的阵列式气味检测元件、数据采集设备、与数据采集设备输出端连接的模式识别系统，检测元件与数据采集设备连接；模式识别系统按如下步骤识别目标气体：

信息获取步骤，经数据采集设备获取检测元件中各气敏型金属氧化物薄膜对目标气体的响应特性曲线；

识别步骤，对信息获取步骤获得的响应特性曲线组进行分析，选取反映各响应特性曲线的特性参数，将各响应特性曲线的特征参数与基准响应特性曲线组各曲线的对应特征参数进行逐一比较，如比较结果一致，则相应基准响应特性曲线组对应的目标气体种类和浓度即是电子鼻的检测结果。