本發(fā)明涉及氣體檢測，尤其涉及一種基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著人們對便攜設(shè)備多功能需求的日益增長，電子設(shè)備中集成的傳感器也日益遞增。氣體傳感器作為一種可以快速、準(zhǔn)確獲得環(huán)境氣氛信息的電子器件，如果能實(shí)現(xiàn)其在便攜智能設(shè)備上的集成，可以顯著提升其在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生和公共安全等領(lǐng)域中有應(yīng)用潛力。受限于電子設(shè)備小型化與電池續(xù)航能力的雙重限制，目前還沒有成熟的集成了氣體傳感器的便攜電子產(chǎn)品。因此，開發(fā)微型化低能耗、高集成度的氣體傳感器是目前該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

2、現(xiàn)有的商用氣體傳感器產(chǎn)品以熱激發(fā)型為主，該種傳感器需要加熱至300～500℃才能工作，這樣既存在高溫安全問題，同時(shí)也增加了傳感器的功耗，不利于其集成化應(yīng)用。光激發(fā)型氣體傳感器因?yàn)槠涫覝毓ぷ魈匦允艿搅藦V泛的關(guān)注。部分研究人員希望利用室內(nèi)照明或者太陽光等環(huán)境光源為傳感器提供能量，從而在不增加器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下降低器件的整體能耗。但這種環(huán)境光源并不穩(wěn)定，傳感器與光源的距離、光源自身的穩(wěn)定性以及周圍光環(huán)境的干擾等諸多因素均會(huì)對傳感器的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。此外，在傳統(tǒng)熱激發(fā)狀態(tài)下，由于溫度在敏感材料各處是均一的，內(nèi)部載流子濃度分布也是均一的，即材料各處的電導(dǎo)率一致；而光在敏感材料中的光強(qiáng)會(huì)隨著與光源距離的增加和被材料吸收而逐漸衰減，即敏感材料內(nèi)部的光強(qiáng)分布是不均勻的，并導(dǎo)致材料內(nèi)部的光生載流子分布沿光照方向遞減。這種不均勻分布與材料的吸光率和光源位置均相關(guān)，會(huì)直接影響敏感材料內(nèi)部的載流子傳導(dǎo)。因此，急需一種穩(wěn)定便捷又節(jié)能的光源集成方式為光激發(fā)氣體傳感器提供穩(wěn)定光能。

3、led作為一種技術(shù)成熟、成本低廉的穩(wěn)定光源，是目前光激發(fā)氣體傳感器研究中最常見的光源種類。如果能將led和氣體傳感器集成在同一芯片上可以直接解決上述光能不穩(wěn)定、器件結(jié)構(gòu)分離等問題。但是該中集成式氣體傳感器還在理論研究階段，并沒有出現(xiàn)實(shí)用的器件，其中的一個(gè)難題就是光源與傳感器的集成與封裝問題。光激發(fā)型氣體傳感器的光能需要施加在敏感材料的表面，因此，現(xiàn)有的器件結(jié)構(gòu)均是光源與敏感材料在基板的同側(cè)且光源懸于敏感材料的上方。光源與敏感材料之間必須保持足夠的空間使得待測氣體可以充分在敏感材料表面流動(dòng)，以利于氣體的吸附與脫附。然而，由于光照度會(huì)隨著敏感材料和光源間的距離增加而衰減，光源的位置和照射角度等因素會(huì)直接影響敏感材料的光激發(fā)氣敏性能。由于通常光激發(fā)氣體傳感器均為頂照式，光源與氣體傳感器在結(jié)構(gòu)上是分離的，導(dǎo)致器件整體結(jié)構(gòu)負(fù)載、尺寸較大；由于led制備工藝與金屬氧化物半導(dǎo)體其他傳感器的制備工藝并不兼容，兩種不同功能層的沉積條件、工作溫度差異極大，難以在同一基底上集成；此外，光源與氣體傳感器對封裝的要求也存在顯著差異，led發(fā)光層通常會(huì)用硅膠或環(huán)氧樹脂等材料完全包覆防止外界環(huán)境對發(fā)光性能的干擾；而氣體傳感器中的敏感層材料必需暴露在環(huán)境中才能與待測氣體發(fā)生氣敏反應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)上的特殊要求導(dǎo)致至今并沒有一種成熟的光激發(fā)型氣體傳感器出現(xiàn)。因此，如何解決上述的器件結(jié)構(gòu)缺陷，是現(xiàn)今亟待攻破的技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器及其制備方法和應(yīng)用。所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了光激發(fā)氣體傳感器的集成，同時(shí)能夠避免發(fā)光層與氣敏材料層的直接接觸，避免了集成工藝不容易實(shí)現(xiàn)的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器，包括依次層疊設(shè)置的led發(fā)光層、襯底、氣敏測試電極和氣敏材料層；

4、所述氣敏測試電極的個(gè)數(shù)>1，每個(gè)氣敏測試電極間隔設(shè)置在所述襯底的表面；

5、部分所述氣敏材料層與所述襯底接觸，剩余所述氣敏材料層與所述氣敏測試電極接觸；

6、所述襯底為透明絕緣材料。

7、優(yōu)選的，所述led發(fā)光層的發(fā)光波長為200～750nm。

8、優(yōu)選的，所述襯底的透過率>85％。

9、優(yōu)選的，所述襯底包括玻璃、藍(lán)寶石、pei或pi。

10、優(yōu)選的，所述氣敏測試電極的材料包括金、鉑、銀或銅。

11、優(yōu)選的，所述氣敏材料層的禁帶寬度為1.55～4.0ev。

12、優(yōu)選的，所述氣敏材料層的材料包括摻雜或未摻雜的氧化銦、摻雜或未摻雜的三氧化鎢、摻雜或未摻雜的氧化錫、摻雜或未摻雜的氧化鈦、摻雜或未摻雜的氧化鋅、摻雜或未摻雜的碳納米纖維、摻雜或未摻雜的碳納米管、摻雜或未摻雜的石墨烯、摻雜氧化鈷和摻雜氧化鎘中的一種或幾種。

13、優(yōu)選的，當(dāng)所述氣敏材料層的材料為摻雜材料時(shí)，摻雜元素包括金、銀、鉑、鈀、鐵、鈷、鎳、錳、鈰、鈮、碳和氮中的一種或幾種。

14、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

15、在襯底的一側(cè)表面依次沉積led發(fā)光層和保護(hù)層后，在所述襯底的另一側(cè)依次沉積氣敏測試電極和氣敏材料層后，去除保護(hù)層，得到所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器。

16、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器或上述技術(shù)方案所述制備方法制備得到的基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器在氣體檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用。

17、本發(fā)明提供了一種基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器，包括依次層疊設(shè)置的led發(fā)光層、襯底、氣敏測試電極和氣敏材料層；所述氣敏測試電極的個(gè)數(shù)>1，每個(gè)氣敏測試電極間隔設(shè)置在所述襯底的表面；部分所述氣敏材料層與所述襯底接觸，剩余所述氣敏材料層與所述氣敏測試電極接觸；所述襯底為透明絕緣材料。本發(fā)明通過將led發(fā)光層與氣敏材料層分別沉積在同一襯底的兩側(cè)，既可以從結(jié)構(gòu)上避免光源與傳感器分離的結(jié)構(gòu)缺陷，還可以利用襯底作為天然的物理隔絕層，無需另外設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)避免氣敏材料正與led發(fā)光層的相互干擾，避免led發(fā)光層和氣敏層的直接接觸；光源和測試電極均不會(huì)阻擋測試氣體與敏感材料接觸，也無需再光源與敏感材料之間預(yù)留空腔，不僅可以縮短激發(fā)光源光程，還能在大幅簡化器件結(jié)構(gòu)的同時(shí)減小器件體積；通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以突破led發(fā)光層與氣敏材料層制備工藝不兼容的瓶頸，促進(jìn)光激發(fā)氣體傳感器的實(shí)用化發(fā)展。

18、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：在襯底的一側(cè)表面依次沉積led發(fā)光層和保護(hù)層后，在所述襯底的另一側(cè)依次沉積氣敏測試電極和氣敏材料層后，去除保護(hù)層，得到所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器。本發(fā)明突破性的在集成工藝中設(shè)置保護(hù)層避免了led發(fā)光層和氣敏材料層在不同沉積工藝中的相互干擾。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述技術(shù)方案具有以下有益效果：

20、1)本發(fā)明所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器的器件結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的熱激發(fā)氣體傳感器相比，在結(jié)構(gòu)上刪除了加熱器的部分，無需加熱器為器件供能，解決了傳統(tǒng)氣體傳感器必須高溫工作的問題；

21、2)本發(fā)明所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器的器件結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有激發(fā)光源與傳感器分離的光激發(fā)氣體傳感器相比，基于同一襯底的led集成式光激發(fā)氣體傳感器具有穩(wěn)定的光源與氣敏材料層具有固定的位置關(guān)系，顯著縮短了光源與敏感層材料的距離，提高了敏感層材料對光源光能的利用率，改善了非集成式光激發(fā)氣體傳感器光源與敏感層材料分離導(dǎo)致的器件體積較大、光能利用率低的問題；

22、3)本發(fā)明所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器的器件結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有激發(fā)光源與傳感器分離的光激發(fā)氣體傳感器相比，由于光源與敏感材料層分別位于襯底的不同側(cè)，避免了待測氣體與發(fā)光層材料的直接接觸，降低了待測氣氛的變化對led發(fā)光層發(fā)光性能的干擾，從而提高led發(fā)光層發(fā)光的穩(wěn)定性和發(fā)光壽命；

23、4)本發(fā)明所述基于led集成的底照式光激發(fā)氣體傳感器的制備方法與現(xiàn)有工藝相比，由于在沉積完led發(fā)光層后在其表面覆蓋了一層保護(hù)層，可以在后續(xù)的氣敏層沉積過程中隔絕發(fā)光層，避免了氣敏層沉積環(huán)境對發(fā)光層產(chǎn)生干擾，從而保證發(fā)光層的發(fā)光性能不受氣敏層沉積工藝的影響。