[发明专利]一种提高二氧化钛光激发气敏性能的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光气敏材料技术，涉及二氧化钛气敏材料的响应恢复性能，具体指一种提高二氧化钛光激发气敏性能(尤其是响应恢复速度与湿度不敏感)的方法及装置。

背景技术

金属氧化物气体传感器，以其成本低、工艺成熟、敏感特性和稳定性良好以及与半导体工艺兼容等优点得到了广泛的应用。传统的金属氧化物气体传感器，为了实现高灵敏和快速响应恢复，大都采用热激发方式，工作温度较高(温度在250-450℃)，导致器件功耗高，也存在安全隐患。光激发是代替热激发实现室温气敏行之有效的方法，特别对于二氧化钛而言，在紫外光激发下有良好的气敏性能。但是室温下二氧化钛光激发气敏响应恢复速度非常慢，完全恢复需30分钟以上;同时由于二氧化钛是一种亲水材料，易受环境湿度影响，其敏感度随环境湿度增加会急剧降低，上述问题阻碍了二氧化钛光激发气敏传感器的商用化。

发明内容

本发明提供一种提高二氧化钛光激发气敏性能的方法及装置，目的在于大幅度提高二氧化钛光激发气敏响应恢复速度与湿度不敏感，使得稳定性和敏感度良好，从而达到商用化的要求。

本发明提供一种提高二氧化钛光激发气敏性能的方法，其特征在于，将二氧化钛光激发气敏传感器的工作温度控制在50℃-70℃;其优选的工作温度为60℃。

实现上述方法的装置，其特征在于，该装置包括材料基片、光激发源、光激发控制模块、温度控制模块、信号调理模块、微处理器、壳体和电路支撑板;材料基片上设置有二氧化钛材料薄膜、加热电阻和测温电阻，加热电阻放置于材料基片的中心;二氧化钛材料薄膜呈阵列布置在加热电阻的两侧;测温电阻用于测量二氧化钛材料薄膜的温度;材料基片架空固定在电路支撑板上，壳体罩在材料基片的上方，并固定于电路支撑板上;壳体上开有用于与测试环境接触的通孔;光激发源安装在壳体的顶部，用于对二氧化钛材料薄膜进行光激发;电路支撑板固定在集成有光激发控制模块、温度控制模块、信号调理模块和微处理器的电路板上;其中，光激发控制模块与光激发源电信号连接，温度控制模块与测温电阻及加热电阻电信号连接，使二氧化钛材料薄膜的工作温度控制在50℃-70℃;信号调理模块一端与二氧化钛材料薄膜连接，另一端与微处理器电信号连接，微处理器与光激发控制模块和温度控制模块电信号连接。

众所周知，二氧化钛在紫外光激发下具有良好的气敏性能。但同时它是一种亲水材料，由于表面孔隙率大导致吸水性很强。在实际应用中，二氧化钛光气敏材料所处的测试环境中通常都有一定的湿度，在传感器工作时，水会吸附在材料表面，影响材料的电导，从而导致气体敏感度大幅度降低。一般处理方法是:在光气敏传感器工作之前，将二氧化钛加热到中高温(200～300℃)，使得二氧化钛表面的吸附物脱附，用以消除表面吸附物(尤其是吸附水)的影响。然而在此温度下加热二氧化钛产生的热激发效应会使得紫外光对其光激发作用急剧降低，丧失光激发气敏性能，所以无法在传感器工作的同时进行加热脱附，也就无法消除其工作时表面再次吸附水对其产生的不良影响。此外，中高温的脱附所需的加热、冷却循环会对二氧化钛薄膜产生冷热冲击，极大地降低了传感器的稳定性和使用寿命。

我们发现:在传感器工作时，将二氧化钛稍微加热到50℃～70℃，能使表面的物理吸附水脱附，从而大幅度削弱了水对敏感度的不良影响。由于加热温度不高，保留了材料表面的化学吸附水，它在紫外光照射下会产生自由羟基，有助于气敏响应恢复速度的提高。同时，低温(60℃)加热对于二氧化钛气敏材料起到了一定的热激发作用，非但没有影响光激发的气敏性能，而且诱导材料产生了光、热联合激发的协同效应，大幅度提高了其光激发气敏的响应恢复速度。

对二氧化钛气敏材料实施可调控加热，可以实时监测控制材料薄膜的温度，使其稳定在一个最佳的工作温度点。

提高二氧化钛气敏材料的工作温度，能减少材料表面物理吸附水的量，使其对环境湿度不敏感，而对特定气体的敏感度较高。

对二氧化钛气敏材料进行调控加热，可以在光激发的同时给予其热激发作用;光、热联合激发的协同效应，能大幅度提高光气敏的响应恢复速度。

总之，与现有技术相比，本发明的有益效果是，二氧化钛光激发气敏传感器工作时，通过可调控的加热手段，将工作温度稳定在50℃～70℃，使二氧化钛气敏材料对环境湿度不敏感，保证其具有良好的稳定性和敏感度。同时，表面化学吸附水产生的自由羟基，以及光、热联合激发的协同效应将有助于气敏响应恢复速度的提高。

附图说明

图1是基于光激发的光气敏传感器工作示意图。