[发明专利]一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法

说明书

本发明公开了一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，属于VOCs气体传感器研究领域。通过在不同MEMS芯片上涂覆不同敏感材料制备传感器阵列，传感器阵列与VOCs气体反应后，在LED紫外灯激发下，传感器阵列上的敏感材料产生荧光颜色的变化，通过微型摄像头模组采集反应前后的图像，利用图像处理技术提取各传感器单元对应位置上RGB的变化值，判断VOCs气体的种类；同时，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；结合在同一传感阵列上检测到的两类变化，实现VOCs气体的定性和定量测量。本发明所制备的气体传感器阵列尺寸微小、制造成本低、易于集成，检测方法简单高效，检测范围广，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，属于VOCs气体传感器研究领域。

背景技术

挥发性有机物(VOCs)对人类的健康造成严重威胁，可经呼吸道、皮肤、消化道等途径进入人体，对人体皮肤黏膜、呼吸道粘膜等产生强烈的刺激，造成器官损伤，严重影响人体健康。

卟啉类功能分子与有机挥发气体之间发生络合作用会改变卟啉材料的结构和性质，引起电信号的变化，同时在紫外激发灯照射下，卟啉会产生荧光效应，与有机挥发气体相互作用时，吸收光谱发生改变，从而引起荧光颜色的变化，利用以上原理可实现对有机挥发气体的高效检测。

目前常用的荧光传感器虽然可实现VOCs气体的定性定量测量，但往往需要与大型光学仪器结合使用，尺寸大，携带困难，对操作人员的专业性要求高；而半导体传感器受环境温度的影响较大，常温下通入低浓度的气体后检测效果并不明显，并且多种气体的存在会同时对检测结果造成干扰，选择性较差，难以实现定性测量。

而利用传感器阵列采集荧光图像信号对气体进行定性测量与采集电信号对气体进行定量测量相结合的方法可解决上述问题，目前未见报导，荧光图像传感可作为半导体传感的一种互补功能，在传统的半导体传感的基础上拓展荧光图像传感，实现对有机挥发性气体的精准识别和快速响应。

发明内容

针对现有的改进需求，本发明提供了一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，制备出可以同时检测电信号和图像信号的传感器阵列，利用传感阵列与不同的VOCs气体反应后产生不同的荧光颜色变化以及电信号的变化来共同判断VOC气体的种类和浓度，实现定性定量测量，所制备的传感器阵列尺寸小、易于器件化、可重复使用，检测方法简单高效，检测范围广，具有广阔的应用前景。

本发明通过以下技术方案实现：

一种VOCs气体传感器阵列的制备及检测方法，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；结合在同一传感阵列上采集到的两类变化，共同判断待测气体的种类和浓度。

优选的，所述方法按照以下步骤进行：

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。