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车载空气质量监测装置的制作方法

花匠小妙招
2024-11-08 05:44

车载空气质量监测装置的制作方法

本发明涉及空气监测技术领域，具体地涉及一种车载空气质量监测装置。

背景技术：

空气质量关系到人们的身体健康，车辆的车厢内是一个密闭空间，容易出现车厢内空气环境污染的问题。车辆内污染物的来源主要包括：车体内部装饰材料释放的甲醛、苯等有害物质；人体呼出的、甚至是二氧化碳制冷剂泄露产生的二氧化碳；高温光照下产生的臭氧。为降低车厢内空气对人体的影响，需要对车厢内的空气进行监测。

相关技术中，为实现多种气体的监测，空气质量监测装置通常采用具有多种滤片光的多通道气体传感器或者集成多个检测不同气体的气体传感器。然而，车厢内的空间有限，而上述的空气质量监测装置的体积大，占用空间大，存在改进需求。

技术实现要素：

为此，本发明提出一种车载空气质量监测装置,该车载空气质量监测装置的体积小。

根据本发明的实施例的车载空气质量监测装置包括红外气体传感器，所述红外气体传感器包括红外探测器和红外光源，所述红外光源用于向所述红外探测器发射红外光，所述红外探测器能够探测多种不同的气体且包括第一电极、衬底、隔离层、第二电极和石墨烯薄膜，所述第一电极、衬底、隔离层从下到上依次设置，所述隔离层开设有多个间隔布置的窗口，每个所述窗口用于暴露所述衬底的部分上表面，所述第二电极为环状，所述第二电极设在所述隔离层的上表面且环绕在所述窗口的外周，每个所述窗口对应一个所述第二电极，所述石墨烯薄膜覆设在所述衬底的部分上表面、所述隔离层的内侧面、所述第二电极的内侧面和所述第二电极的上表面，位于所述衬底的所述部分上表面的所述石墨烯薄膜具有周期性纳米结构，每个所述窗口和第二电极对应一个所述石墨烯薄膜，多个所述石墨烯薄膜的所述周期性纳米结构不同；第一处理器，所述第一处理器与所述红外气体传感器通讯连接以接收和处理所述红外气体传感器发送的信息；显示器，所述显示器与所述第一处理器通讯连接以实时显示浓度信息。

根据本发明的实施例的车载空气质量监测装置，通过设置具有多个窗口、石墨烯薄膜的红外探测器，能够探测多种不同气体，以实现多功能空气质量检测，由于其能通过一个红外探测器就能完成多种不同气体的探测，由此能够减小车载空气质量监测装置的体积，占用空间小。

在一些实施例中，所述红外气体传感器还包括第二处理器，所述第二处理器与所述红外探测器通讯连接以接收和处理所述红外探测器产生的电压信号。

在一些实施例中，所述红外气体传感器还包括信号处理电路，所述信号处理电路与所述红外探测器和所述第二处理器通讯连接以将所述红外探测器产生的电压信号进行滤波、放大、温度补偿和数模转换。

在一些实施例中，所述车载空气质量监测装置还包括电压转换模块，所述电压转换模块与所述红外气体传感器通讯连接以将外部电压转换为所述红外气体传感器的工作电压。

在一些实施例中，所述车载空气质量监测装置还包括警示装置，所述警示装置与所述第一处理器通讯连接以发出警报。

在一些实施例中，所述石墨烯薄膜在所述第二电极的上表面的覆盖面积小于所述第二电极的上表面面积。

在一些实施例中，所述周期性纳米结构包括多个孔状结构。

在一些实施例中，所述孔状结构的横截面呈圆形、方形、菱形或三角形。

在一些实施例中，所述石墨烯薄膜为单层或多层。

在一些实施例中，所述第一电极为金属薄膜电极，所述金属为镓铟合金、钛金合金或铝。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的车载空气质量监测装置的结构示意图。

图2是根据发明的实施例的红外探测器的剖面图。

图3是根据发明的实施例的未覆设石墨烯薄膜的红外探测器的剖面图。

图4是根据发明的实施例的红外探测器的俯视图。

图5是根据本发明的实施例的红外气体传感器的结构示意图。

附图标记：

红外气体传感器100，红外探测器101，第一电极1，衬底2，衬底的部分上表面21，隔离层3，隔离层的内侧面31，隔离层的部分上表面32，第二电极4，通孔41，石墨烯薄膜5，周期性纳米结构51，窗口6，红外光源102，第二处理器103，信号处理电路104，第一处理器200，显示器300，电压转换模块400，警示装置500。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-5所示，根据本发明的实施例的车载空气质量监测装置包括红外气体传感器100、第一处理器200和显示器300。红外气体传感器100能够检测气体，第一处理器200与红外气体传感器100通讯连接以接收和处理红外气体传感器100发送的气体浓度信息，显示器300与处理器200通讯连接以接收第一处理器200发出的显示信号并实时显示浓度信息。具体地，当红外气体传感器100检测到气体浓度时，第一处理器200接收红外气体传感器100发送的气体浓度值，并对该气体浓度值进行分析处理发送给显示器300，显示器300上能够实时显示气体的浓度和空气质量分析值。

如图5所示，红外气体传感器100包括红外探测器101和红外光源102，红外光源102用于向红外探测器101发射红外光。具体地，红外光源102可以为灯丝加热发光产生的红外光，也可以是红外led光源，可以理解的是，红外光源102的设置形式本发明并不限于此。

如图2、3所示，界定红外探测器的高度方向为上下方向，红外探测器的宽度方向为左右方向，红外探测器的长度方向为横向。

如图2-4所示，红外探测器101包括第一电极1、衬底2、隔离层3、第二电极4和石墨烯薄膜5。可以理解的是，在本领域内，第一电极1通常称为底电极，能够与衬底2形成欧姆接触，第一电极1是金属薄膜电极，其金属材料为镓铟合金、钛合金或铝等；第二电极4通常称为顶电极，第二电极4为金属薄膜电极，该金属材料为铝、金或金铬合金等。衬底2的材料在本领域内通常采用硅，即硅衬底，具体地，该硅衬底包含n型和p型硅材料，电阻率为0.1～100ω·㎝，本领域内衬底2还可采用锗或砷化镓等窄带隙半导体材料。隔离层3为二氧化硅隔离层，二氧化硅隔离层的厚度为100nm～1000nm，本发明并不限于此，隔离层3的材料本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

衬底2设在第一电极1的上表面，隔离层3设在衬底2的上表面，隔离层3开设有多个间隔布置的窗口6，每个窗口6能够将衬底2的部分上表面21暴露出来，窗口6由隔离层3的内侧面31围成。换言之，隔离层3上开设形成多个窗口6的多个贯通孔，以使得衬底2的上表面21和该贯通孔形成凹形槽结构，由此，凹形槽结构的底壁面为衬底2的部分上表面21，凹形槽结构的侧壁面为隔离层3的内侧面31。

第二电极4设在隔离层3的上表面，第二电极4为环状且环绕在窗口6的外周，换言之，隔离层3的上表面设有多个第二电极4，每个第二电极4为环状，一个环状的第二电极4环绕在一个窗口6的外周以将窗口6暴露出来。具体地，每个第二电极4具有在第二电极4的上下方向贯通该第二电极4的通孔41以使第二电极4呈环状结构，该通孔41位于隔离层3的窗口6的上方，且能够将窗口6完全暴露出来。具体地，隔离层3的内侧面31(即凹形槽结构的侧壁面)在第二电极4的内表面(即通孔41的壁面)的内侧，以使窗口6完全暴露出来。

进一步地，每个第二电极4的外表面位于隔离层3的外表面的内侧，即多个第二电极4均位于隔离层3的边界所围成的区域内。更进一步地，通孔41的形状与窗口6的形状一致，即二者的横截面(垂直于上下方向的平面)形状相同，且通孔41的横截面面积大于或等于窗口6的横截面面积，以将窗口6暴露出来。更进一步地，通孔41的中心线与窗口6的中心线可以重合。例如图2所示，通孔41和窗口6的横截面均呈正方形，通孔41位于窗口6的正上方，即通孔41的中心线与窗口6的中心线重合，通孔正方形的通孔41的各个宽度均大于窗口6的各个宽度，通孔41和窗口6的形状本发明并不限于此，例如，通孔41和窗口6的横截面还可以均为长方形，通孔的长度大于窗口6的长度，通孔的宽度大于窗口6的宽度，可以理解的是，窗口6和通孔41的横截面除了呈方形外，还可以呈三角形、菱形、圆形等。

更进一步地，当第二电极4的通孔41的侧壁面位于窗口6的侧壁面的外侧时，窗口6周围会有隔离层3的部分上表面32暴露出来，则石墨烯薄膜5也会覆设在隔离层3的部分上表面32，即石墨烯薄膜5覆设在衬底2的部分上表面21、隔离层3的内侧面31(窗口6的侧壁面)、隔离层3的部分上表面32，第二电极4的内侧面(通孔41的侧壁面)和第二电极4的上表面。

石墨烯薄膜5设有多个，每个窗口6和第二电极4对应一个石墨烯薄膜5，石墨烯薄膜5覆设在衬底2的部分上表面21、隔离层3的内侧面31(窗口6的壁面)、第二电极4的内侧面(通孔41的壁面)和第二电极4的上表面，换言之，石墨烯薄膜5铺设在通孔41和窗口6的位置，即石墨烯薄膜5从外向内依次贴合第二电极4的上表面、第二电极4的内侧面、隔离层3的内侧面31和衬底2的部分上表面21。更具体地，石墨烯薄膜5的横截面面积大于开孔41的横截面面积，以使石墨烯薄膜5的边界位于第二电极4的上表面。

可以理解的是，石墨烯薄膜5既是滤波器，能够吸收特征波长，又是有源薄膜，由于石墨烯具有金属特性，能够和硅衬底结合形成肖特基浅结的二极管。石墨烯薄膜5吸收的特征红外光波产生的光生载流子被肖特基浅结快速分离，形成光生电流，红外探测器具有时间响应快，不受外界热源的影响的优点。

其中位于衬底2的部分上表面21的石墨烯薄膜5具有周期性纳米结构51，且多个石墨烯薄膜5上的周期性纳米结构51不同(如图4所示)。换言之，石墨烯薄膜5的在衬底2的部分上表面21上的部分具有周期性纳米结构51，且每个石墨烯薄膜5上的周期性纳米结构51不同于其余石墨烯薄膜5上的周期性纳米结构51。

换言之，隔离层3开设多个窗口6，每个窗口6对应一个第二电极4和一个石墨烯薄膜5，则该红外探测器101能够形成多个肖特基浅结的二极管，由于多个石墨烯薄膜5上的周期性纳米结构51不同，且具有一种周期性纳米结构51的肖特基浅结的二极管能够吸收一种特征红外波长以探测一种特定的气体，由此由上述结构组成的成多个肖特基浅结的二极管能够对不同特征红外波长的吸收以探测多种特定的气体。其中周期性纳米结构51不同可以为多个周期性纳米结构51具有不同的周期、占空比和/或形状。具体地，多个窗口6形成阵列，则多处的石墨烯薄膜5形成阵列，阵列石墨烯薄膜5上可以制备不同周期、占空比和/或形状的周期性纳米结构51，以探测多种特定的气体。

可以理解的是，红外探测器采用具有周期性纳米结构51的石墨烯薄膜5作为滤波器，能够增强对红外光的吸收，且仅吸收特定的红外波长，以探测特定的气体，提高了探测器的选择性能，而且可以减小气体红外探测器的体积，易于制备和降低成本。

具体地，周期性纳米结构51包括多个孔状结构，孔状结构的横截面呈圆形、方形、菱形或三角形等形状。例如图2所示，孔状结构的横截面呈圆形，孔状结构的横截面形状本发明并不限于此，本领域技术人员根据实际需要能够进行选择。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

根据本发明的实施例的车载空气质量监测装置，通过设置具有不同周期性纳米结构的红外探测器，能够探测多种不同气体，以实现多功能空气质量检测，由于能通过一个红外探测器就能完成多种不同气体的探测，由此能够减小车载空气质量监测装置的体积，占用空间小。

在一些实施例中，如图5所示，红外气体传感器100还包括第二处理器103，第二处理器103与红外探测器101通讯连接以接收和处理红外探测器101发出的电压信号。

在一些实施例中，如图5所示，红外气体传感器100还包括信号处理电路104，信号处理电路104与红外探测器101和第二处理器103通讯连接以将红外探测器101发出的电压信号进行滤波、放大、温度补偿和数模转换。

在一些实施例中，如图1所示，车载空气质量监测装置还包括电压转换模块400，电压转换模块400与红外气体传感器100通讯连接以将外部电压转换为红外气体传感器100的工作电压。

在一些实施例中，如图1所示，车载空气质量监测装置还包括警示装置500，警示装置500与第一处理器200通讯连接以发出警报。可以理解的是，当第一处理器200分析处理时发现气体的浓度超标，第一处理器200会向警示装置500发出警示信号以使警示装置500发出警报，提醒用户气体的浓度超标。具体地，警示装置500可以为蜂鸣器。可以理解的是，本发明并不限于此，提醒用户的方式除了产生声音进行提醒外，还可以采用振动、发光等的方式进行提醒，例如警示装置500为振动器或是闪光灯。

在一些实施例中，如图2-4所示，石墨烯薄膜5在第二电极4的上表面的覆盖面积小于第二电极4的上表面面积，更进一步地，石墨烯薄膜5的边界在第二电极4的边界的内侧，即石墨烯薄膜5的侧边在第二电极4的上表面，且石墨烯薄膜5的侧边与第二电极4的外侧边间隔设置，以便于在第二电极4的上表面留出接电的位置，即在第二电极4的上表面的没有石墨烯薄膜5的位置接电。更进一步地，第二电极4呈大体方形，石墨烯薄膜5整体也呈大体方形，且方形的石墨烯薄膜5的侧边在方形的第二电极4的上表面，且方形的石墨烯薄膜5的侧边与方形的第二电极4的外侧边间隔设置。

更进一步地，石墨烯薄膜5为单层或多层，其中采用多层石墨烯薄膜5，吸收峰产生蓝移而靠近近红外光波段，有利于红外气体的探测，同时增加特征波长的吸收。

下面参考附图1-5描述根据本发明具体实施例的车载空气质量监测装置。

如图1-5所示，根据本发明实施例的车载空气质量监测装置包括红外气体传感器100、第一处理器200、显示器300、电压转换模块400和警示装置500。其中红外气体传感器100能够检测气体，第一处理器200与红外气体传感器100通讯连接以接收和处理红外气体传感器100发送的信息，显示器300与处理器200通讯连接以接收处理器200发出的显示信号并实时显示气体的浓度值和空气质量分析值，电压转换模块400与红外气体传感器100通讯连接以将外部电压转换为红外气体传感器100的工作电压，警示装置500可以为蜂鸣器，蜂鸣器与第一处理器200通讯连接以在第一处理器200发出警示信号时发出蜂鸣声，以提醒用户气体的浓度超标。

红外气体传感器100包括红外探测器101、红外光源102、第二处理器103和信号处理电路104。其中红外光源102用于向红外探测器101发射红外光。具体地，红外光源102可以为灯丝加热发光产生的红外光，也可以是红外led光源等。第二处理器103与红外探测器101通讯连接以接收和处理红外探测器101发出的电压信号。信号处理电路104与红外探测器101和第二处理器103通讯连接以将红外探测器101发出的电压信号进行滤波、放大、温度补偿和数模转换。

红外探测器101包括第一电极1、衬底2、隔离层3、第二电极4和石墨烯薄膜5，第一电极1是金属薄膜电极，其金属材料为镓铟合金、钛合金或铝等，第二电极4也为金属薄膜电极，该金属材料为铝、金或金铬合金等。

衬底2设在第一电极1的上表面，衬底2的材料为硅，即衬底2为硅衬底，该硅衬底包含n型和p型硅材料，电阻率为0.1～100ω·㎝。隔离层3设在衬底2的上表面，隔离层3为二氧化硅隔离层，二氧化硅隔离层的厚度为100nm～1000nm。隔离层3开设有4个正方形的窗口6以将多个衬底2的部分上表面21暴露出来，窗口6由隔离层3的内侧面31围成，第二电极4设在隔离层3的上表面，第二电极4具有正方形的通孔41以形成环状，环状的第二电极4环绕窗口6的外周设置，具体地，正方形的通孔41位于窗口6的正上方，且通孔41的中心线与窗口6的中心线重合，正方形的通孔41的横截面面积大于正方形的窗口6的横截面面积，以将窗口6完全暴露出来。每个窗口6处对应一个第二电极4，即第二电极4具有4个。

石墨烯薄膜5覆设在衬底2的部分上表面21、隔离层3的内侧面31(窗口6的壁面)、隔离层3的部分上表面32，第二电极4的内侧面(通孔41的壁面)和第二电极4的上表面，即每个窗口6处均覆设有石墨烯薄膜5，且石墨烯薄膜5为多层，第二电极4呈大体方形，石墨烯薄膜5整体也呈大体方形，且方形的石墨烯薄膜5的侧边在方形的第二电极4的上表面，且方形的石墨烯薄膜5的侧边与方形的第二电极4的外侧边间隔设置。

石墨烯薄膜5的在衬底2的部分上表面21上的部分具有周期性纳米结构51。周期性纳米结构51包括多个孔状结构，孔状结构的横截面呈圆形，每个窗口6对应的孔状结构的个数不同，具体地，4个窗口6成方形阵列且分别为第一窗口、第二窗口、第三窗口和第四窗口，其中第一窗口和第二窗口在左右方向上间隔且相对设置，第一窗口和第三窗口在横向上间隔且相对设置，第二窗口和第三窗口在左右方向上间隔且相对设置，第二窗口和第四窗口在横向上间隔且相对设置。在第一窗口处周期性纳米结构51包括4个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第一直径；在第二窗口处周期性纳米结构51包括9个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第二直径；在第三窗口处周期性纳米结构51包括4个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第三直径；在第四窗口处周期性纳米结构51包括9个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第四直径；其中第一直径大于第二直径，第二直径大于第三直径，第三直径等于第四直径。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。