[发明专利]一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法

权利要求书

1.一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，其特征在于，所述气体传感器阵列由卟啉类衍生物与MEMS芯片复合制备而成，所述传感器阵列与VOCs气体反应后，在365nm的LED紫外灯激发下，传感器阵列上敏感材料产生荧光颜色的变化，利用图像处理技术提取各传感单元对应位置上RGB的变化值，判断VOCs气体的种类；MEMS芯片叉指电极两端产生电信号的变化，利用此变化获得气体的响应曲线，判断出VOCs气体的浓度值；结合在同一传感器阵列上采集到的RGB的变化以及电信号的变化，共同判断待测气体的种类和浓度，包括如下步骤：

步骤(1)敏感材料的筛选，将卟啉类衍生物粉末配置成溶液，与不同种类和浓度的VOCs气体反应，根据反应前后敏感材料溶液的荧光颜色变化程度，筛选出对VOCs气体敏感的卟啉材料；

步骤(2)MEMS芯片的制备：a.选取尺寸为1mm×1mm×0.5mm的单晶硅片，利用紫外光刻技术在单晶硅片表面制备带有所需图案的光刻胶掩膜板，以30％浓度的氢氧化钠作为腐蚀液，60℃下以1μm/min的速率腐蚀60min，得到带有所需悬臂梁图形结构的单晶硅衬底；b.使用紫外光刻技术在腐蚀后的硅衬底表面制备带有叉指电极图案的光刻胶掩膜板，利用磁控溅射技术溅射一层厚300nm的银作为叉指电极；c.在带有加热电极图案的光刻胶掩膜板上溅射一层厚300nm的铜作为加热电极，完成MEMS芯片的制备；

步骤(3)传感器阵列的制备，取步骤(1)筛选出来的卟啉敏感材料的粉末于玛瑙研钵，加入松油醇机械研磨2～3小时，在显微镜下分别点涂在MEMS芯片的叉指电极区域上，避光干燥24h，真空干燥1～2小时，干燥温度为100～150℃；将涂覆完敏感材料的MEMS芯片固定在PCB板上，用导电胶连接PCB板与传感器芯片的对应电极，组成n×n的传感器阵列；

步骤(4)气体传感器模块的集成，利用3D打印技术制备尺寸为5cm×3cm×2mm的气体传感器集成模块的外壳装置，所述外壳装置内部涂黑，包括底座和顶盖两个部分，底座中间位置留有凹槽，用于放置传感器阵列，顶盖留有微型摄像头模组以及LED紫外激发灯的放置位置，箱体留有入气口和出气口；将所制得的传感器阵列放入外壳装置底座的凹槽内，放置微型摄像头模组于顶盖中心处，使其位于传感器阵列的正上方位置，LED紫外激发灯放置于外壳装置的四角处，检查上下底盖之间的气密性，完成传感器模块的集成；

步骤(5)气体测试平台的搭建，将传感器集成模块的入气口与连接有气瓶的全自动动态配气仪相连，出气口与废气回收装置相连，传感器阵列的叉指电极端连接数据采集卡，数据采集卡与PC端相连，微型摄像机模组通过USB数据线与PC端相连，检查测试装置的密闭性；

步骤(6)打开LED紫外激发灯，通入待测VOCs气体，采集荧光传感器阵列反应前后的图像，对采集到的反应前后两张图片通过归一化和消噪步骤进行预处理，再进行特征值提取，选取图像中传感器阵列各单元的位置和所对应的RGB的值作为特征值，计算出反应前后两幅图片中同一传感阵列位置的不同RGB变化值，即RGB差值，根据不同气体响应产生不同的RGB差值，对应出待测气体的种类；

步骤(7)打开数据采集系统，进行电信号采集，利用所测气体的浓度值与输出电信号之间的对应关系，获得气体的响应曲线，利用采集到的表示待测气体浓度的电信号值对应出所测气体的浓度值；

步骤(8)不同的气体种类和浓度对应出不同的电信号变化值与图像RGB的变化值，共同判断出所通气体的种类和浓度。

2.根据权利要求1所述的一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，其特征在于，所述敏感材料含有：卟啉、四苯基卟啉、四苯基卟啉锌、四苯基卟啉锰、四苯基卟啉钴、四苯基卟啉铁、四苯基卟啉铜卟啉衍生物中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，其特征在于，所制备的叉指电极为圆形梳状结构，加热电极以蛇形穿插于叉指电极之间；叉指电极用于检测电信号，加热电极用于对敏感材料进行加热，起到提高材料与气体反应速率的作用。

4.根据权利要求1所述的一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，其特征在于，所述VOCs气体选择丙酮、三乙胺、甲苯和乙酸四种气体。