电极传感器及其制备方法、检测系统和检测方法与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种电极传感器及其制备方法、检测系统和检测方法。


背景技术：

2.随着人类文明发展，工业化进程中会产生大量废气，其中有害元素会在空气中以单质或者化合物的形式存在，会对环境或者人的健康带来影响，且元器件长期置于含有能够与器件发生反应的气体的环境中，也会对含有元器件的电子设备造成不良影响。在电子元器件的失效案例中，大部分元器件失效都是由于其内金属与环境中的气体元素发生反应，引起电阻变化，甚至引发开路，导致器件失效。因此，很有必要对环境中的元素含量进行监测，提前预警腐蚀环境可能造成的影响。然而目前市场上仍缺少可快速评价环境中气体浓度的传感器，且现有的检测装置和检测方法的检测原理比较复杂，不能简洁直观地知晓待测环境中是否有待测元素以及元素浓度是否过高。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明设计了一种电极传感器及其制备方法、检测系统和检测方法，可快速检测环境中是否有待测元素以及元素浓度是否过高。
4.本发明设计了一种电极传感器，包括：
5.第一电极；
6.第二电极，位于所述第一电极的一侧，与所述第一电极具有间距；
7.透明隔离层，包覆所述第二电极，用于将待测气体与所述第二电极隔离；
8.所述第一电极与所述第二电极的材料相同；所述第一电极与待测气体接触后发生反应，且所述第一电极的表面颜色和阻值随着反应时间的变化而变化。
9.在其中一个实施例中，所述电极传感器还包括：
10.第三电极，与所述第一电极和所述第二电极间隔排布；所述第三电极的材料与所述第一电极的材料相同；
11.透明吸附层，包覆所述第三电极，用于吸附所述待测气体。
12.在其中一个实施例中，所述待测气体包括含硫的化合物；所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极均包括银电极或铜电极；所述透明隔离层包括聚甲基丙烯酸甲酯层或823胶层；所述透明吸附层包括硅胶层。
13.在其中一个实施例中，所述第一电极的形状、所述第二电极的形状和所述第三电极的形状均包括蛇形、多环形、品字形、弹簧形、直线形或片状。
14.本发明还设计了一种电极传感器的制备方法，包括：
15.提供基板；
16.于所述基板上制备间隔排布的第一电极和第二电极；所述第一电极与所述第二电极的材料相同；所述第一电极与待测气体接触后发生反应，且所述第一电极的表面颜色和
阻值随着反应时间的变化而变化；
17.于所述基板上形成透明隔离层，所述透明隔离层包覆所述第二电极，所述透明隔离层用于将待测气体与所述第二电极隔离。
18.在其中一个实施例中，所述基板包括玻璃基板，于所述基板上制备间隔排布的第一电极和第二电极之前，还包括对所述基板进行疏水处理的步骤。
19.在其中一个实施例中，于所述基板上制备间隔排布的第一电极和第二电极的同时，还于所述基板上形成第三电极，所述第三电极与所述第一电极和所述第二电极间隔排布，所述第三电极的材料与所述第一电极的材料相同；形成所述第三电极之后，还包括：于所述基板上形成透明吸附层的步骤；所述透明吸附层包覆所述第三电极，用于吸附所述待测气体。
20.在其中一个实施例中，所述于所述基板上制备间隔排布的所述第一电极和所述第二电极的方法包括电镀法、化学合成法、化学气相沉积法、物理溅射法或蒸镀法；所述于所述基板上形成所述第三电极的方法包括电镀法、化学合成法、化学气相沉积法、物理溅射法或蒸镀法。
21.本发明还提供了一种检测系统，所述检测系统包括：
22.上述任一方案中所述的电极传感器；
23.检测装置，至少与所述第一电极电连接，用于在所述电极传感器置于待测环境中时实时检测所述第一电极的电阻，并基于所述第一电极的电阻判断所述待测环境中所述待测气体的浓度。
24.本发明还提供了一种检测方法，所述检测方法包括：
25.将上述任一方案中所述的电极传感器置于待测环境中；
26.放置预设时间后，判断所述第一电极的表面颜色相较于所述第二电极的表面颜色是否发生变化，若是，则判定所述待测环境中含有所述待测气体。
27.在其中一个实施例中，所述检测方法还包括：
28.检测所述第一电极的电阻，基于所述第一电极的电阻判断所述待测环境中的所述待测气体的浓度。
29.本发明的电极传感器及其制备方法、检测系统和检测方法具有如下有益效果：
30.本发明中的电极传感器及其制备方法、检测系统和检测方法，可快速检测环境中是否有待测元素以及元素浓度是否过高，并且成本低廉。通过电极传感器的第一电极置于待测气体中达到设定时间后的颜色变化来判定待测环境中是否含有待测元素，同时采用第二电极和包覆第二电极的透明隔离层作为对照，可以更快速且直观地看出第一电极与待测气体反应后颜色的不同；通过检测系统将电极传感器的第一电极置于待测气体中，达到设定时间后对第一电极的电阻进行检测，来判断待测环境中的待测气体的浓度，并通过实时监测电阻的变化来判断待测环境中的待测气体的浓度是否在持续变化。通过对环境中待测气体的测量与标定，在对人身安全进行预警的同时，可以对元器件运输、保存环境进行快速评估，进而对元器件的使用寿命进行预测和评价，能够提前做出对策，保障电子元器件在复杂环境下的高可靠应用。
附图说明
31.图1是本发明一个实施例中电极传感器的结构图。
32.图2是本发明一个实施例中电极传感器的制备方法流程图。
33.图3是本发明一个实施例中检测系统示意图。
34.图4是本发明一个实施例中检测方法流程图。
35.附图标记说明：
36.1、电极传感器；11、第一电极；12、第二电极；13、第三电极；14、透明隔离层；15、透明吸附层；16、基板；17、焊盘；2、检测装置；3、待测环境模拟装置；31、气体发生装置；32、反应装置；33、废气处理装置。
具体实施方式
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
38.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。
39.此外，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。在本发明的描述中，“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。
40.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；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。
41.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。
42.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
44.随着人类文明发展，工业化进程中会产生大量废气，其中有害元素(譬如硫元素)会在空气中以单质或者化合物的形式存在，会对环境或者人的健康带来影响，且元器件长期置于含有能够与器件发生反应的气体的环境中，也会对含有元器件的电子设备造成不良影响。在电子元器件的失效案例中，大部分元器件失效都是由于其内金属(譬如银)与环境中的气体元素发生反应，引起电阻变化，甚至引发开路，导致器件失效。因此，很有必要对环境中的元素含量进行监测，提前预警腐蚀环境可能造成的影响，避免人身及财产安全的损失。然而目前市场上仍缺少可快速评价环境中气体浓度的传感器，且现有的检测装置和检测方法的检测原理比较复杂，不能简洁直观地知晓待测环境中是否有待测元素以及元素浓度是否过高。
45.因此，本发明设计了一种电极传感器及其制备方法、检测系统和检测方法，可快速检测环境中是否有待测元素以及元素浓度是否过高。
46.本发明设计了一种电极传感器，图1为一个实施例中电极传感器的结构图。如图1所示，电极传感器包括：
47.第一电极11；
48.第二电极12，第二电极12位于第一电极11的一侧，与第一电极11具有间距；
49.透明隔离层14，透明隔离层14包覆第二电极12，透明隔离层14用于将待测气体与第二电极12隔离；
50.第一电极11与第二电极12的材料相同；第一电极11与待测气体接触后发生反应，且第一电极11的表面颜色和阻值随着反应时间的变化而变化。
51.具体地，通过电极传感器的第一电极置于待测气体中达到设定时间后的颜色变化来判定待测环境中是否含有待测元素，同时采用第二电极和包覆第二电极的透明隔离层作为对照，可以更快速且直观地看出第一电极与待测气体反应后颜色的不同。
52.在其中一个实施例中，待测气体可以包括含硫的化合物；具体地，所述含硫的化合物包括但不限于硫化氢气体、一氧化硫气体、二氧化硫气体、cos(羰基硫)或含硫氨基酸。
53.具体地，第一电极11可以包括但不限于银电极或铜电极；本实施例中，第一电极11为银电极。
54.具体地，第二电极12可以包括但不限于银电极或铜电极；本实施例中，第二电极12为银电极。
55.具体地，银材料或铜材料为电子元器件中常用的材料，采用银电极或铜电极与待测环境中的待测气体反应，可以更真实地反应电子元器件在日常使用过程中与环境中腐蚀元素的接触情况；同时需要说明的是，在其他实施例中，也可以采用其他金属(譬如锡、铝或铁等)，所以满足条件的金属作为电极均受本发明的保护。
56.具体地，透明隔离层14可以包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯层或823胶层；本实施例中，透明隔离层14为聚甲基丙烯酸甲酯层；具体地，聚甲基丙烯酸甲酯层具有很好的水汽密封性和透过性，可有效隔绝电极与待测元素发生接触。
57.在其中一个实施例中，第一电极11和第二电极12的形状包括但不限于蛇形、多环
形、品字形、弹簧形、直线形或片状；优选地，本实施例中第一电极11和第二电极12的形状均为蛇形。
58.继续参阅图1，在其中一个实施例中，电极传感器还包括：
59.第三电极13，第三电极13与第一电极11和第二电极12间隔排布；第三电极13的材料与第一电极11的材料相同；
60.透明吸附层15，透明吸附层15包覆第三电极13，透明吸附层15用于吸附待测气体。
61.在其中一个实施例中，透明吸附层15可以包括硅胶层，硅胶具有吸附气体的效果，可以通过硅胶吸附环境中的硫元素及其化合物，从而加速第三电极13与待测气体的反应。需要说明的是，透明吸附层15可以为但不限于硅胶层，其他所有符合条件的透明吸附层均可用于本发明中。
62.具体地，第三电极13的形状可以包括但不限于蛇形、多环形、品字形、弹簧形、直线形或片状。优选地，本实施例中第三电极13的形状为蛇形。
63.结合图1并参阅图2，本发明还设计了一种电极传感器的制备方法，包括：
64.提供基板16；
65.于基板16上制备间隔排布的第一电极11和第二电极12；第一电极11与第二电极12的材料相同；第一电极11与待测气体接触后发生反应，且第一电极11的表面颜色和阻值随着反应时间的变化而变化；
66.于基板上形成透明隔离层14，透明隔离层14包覆第二电极12，透明隔离层14用于将待测气体与第二电极12隔离。
67.在其中一个实施例中，待测气体可以包括含硫的化合物；具体地，所述含硫的化合物包括但不限于硫化氢气体、一氧化硫气体、二氧化硫气体、cos(羰基硫)或含硫氨基酸。
68.具体地，第一电极11可以包括银电极或铜电极；本实施例中，第一电极11为银电极。
69.具体地，第二电极12可以包括银电极或铜电极；本实施例中，第二电极12为银电极。
70.具体地，透明隔离层14可以包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯层或823胶层；本实施例中，透明隔离层14为聚甲基丙烯酸甲酯层；具体地，聚甲基丙烯酸甲酯层具有很好的水汽密封性和透过性，可有效隔绝电极与待测元素发生接触。
71.具体地，第一电极11和第二电极12的形状可以包括蛇形、多环形、品字形、弹簧形、直线形或片状；优选地，本实施例中第一电极11和第二电极12的形状均为蛇形。
72.在其中一个实施例中，于基板上制备间隔排布的第一电极和第二电极的方法可以包括但不限于电镀法、化学合成法、cvd(化学气相沉积法)、物理溅射法或蒸镀法；本实施例中，第一电极11和第二电极12的制备方法为蒸镀法。
73.优选地，本实施例中，第一电极11和第二电极12采用银电极，第一电极11和第二电极的形状采用蛇形线电极网络。具体地，如图1所示(图片只反映环绕方式，不反映银金属微米线实际的尺寸及比例)，电极由银金属微米线周期环绕而成，银金属微米线的总长度为250cm、线宽为10um、线间距为10um以及厚度为100nm。银金属微米线的直径尽可能小，这样单位面积下的电极可以尽可能保证线的距离长，根据一维材料比表面积的计算特点：s/v＝2πrl/(πr^2l)＝2/r，可知直径小的一维银导线具有表面体积比大的优点，这样可以增大银
金属微米线与待测气体的接触面积，进而可以提升电极与待测气体的反应速率。
74.在其中一个实施例中，于基板上制备间隔排布的第一电极11和第二电极12的同时，还于基板上形成第三电极13，第三电极13与第一电极11和第二电极12间隔排布，第三电极13的材料与第一电极11的材料相同；形成第三电极13之后，还包括：于基板上形成透明吸附层15的步骤；透明吸附层15包覆第三电极13，用于吸附待测气体。
75.具体地，第三电极的形状可以包括但不限于蛇形、多环形、品字形、弹簧形、直线形或片状；优选地，本实施例中第三电极13的形状为蛇形。
76.在其中一个实施例中，于基板上形成第三电极的方法可以包括但不限于电镀法、化学合成法、cvd、物理溅射法或蒸镀法；本实施例中，第三电极13的制备方法为蒸镀法。
77.优选地，本实施例中，第三电极13采用银电极，第三电极13的形状采用蛇形线电极网络，第三电极13的制备方法与第一电极的制备方法相同；具体地，如图1所示(图片只反映环绕方式，不反映银金属微米线实际的尺寸及比例)，电极由银金属微米线周期环绕而成，银金属微米线的总长度为250cm、线宽为10um、线间距为10um以及厚度为100nm。
78.在其中一个实施例中，透明吸附层15可以包括硅胶层，硅胶具有吸附气体的效果，可以通过硅胶吸附环境中的硫元素及其化合物，从而加速第三电极13与待测气体的反应。需要说明的是，透明吸附层15可以为但不限于硅胶层，其他所有符合条件的透明吸附层均可用于本发明中。
79.在其中一个实施例中，基板16可以包括玻璃基板，于基板16上制备间隔排布的第一电极12和第二电极12之前，还包括对基板16进行疏水处理的步骤；具体地，采用等离子水对基板16进行疏水处理。
80.结合图1并参阅图3，本发明还提供了一种检测系统，检测系统包括：
81.上述任一方案中的电极传感器1；
82.检测装置2，至少与第一电极11电连接，用于在电极传感器1置于待测环境中时实时检测第一电极11的电阻，并基于第一电极11的电阻判断待测环境中待测气体的浓度。
83.具体地，电极传感器1可以为图1及实施例中的电极传感器1，电极传感器1的具体结构请参阅图1及相关文字描述，此处不再累述。
84.在其中一个实施例中，待测气体可以包括含硫的化合物；具体地，所述含硫的化合物包括但不限于硫化氢气体、一氧化硫气体、二氧化硫气体、cos(羰基硫)或含硫氨基酸。
85.优选地，本实施例中，检测装置2可以为单片机，将第一电极11与单片机电连接，可以实时监测第一电极11的电阻变化。
86.具体地，检测装置2与第一电极11电连接后，在第一电极1置于待测环境中时，向第一电极11的两端施加检测电压，以实时检测第一电极11的电阻。
87.在另一个实施例中，检测装置2还可以与第二电极12电连接，用于在电极传感器1置于待测环境中时，向第二电极12的两端施加检测电压，实时检测第二电极12的电阻。
88.在另一个实施例中，检测装置2还可以与第三电极13电连接，用于在电极传感器1置于待测环境中时，向第三电极13的两端施加检测电压，实时检测第三电极13的电阻。
89.具体地，为了便于检测装置2向第一电极11、第二电极12和第三电极13施加检测电压，还可以在第一电极11、第二电极12和第三电极13的两端分别设置焊盘17。
90.作为示例，焊盘17的材料可以与第一电极11、第二电极12和第三电极13的材料相
同；可以在制备第一电极11、第二电极12和第三电极13的同时，采用相同的制备工艺制备出焊盘17。
91.为了实验方便，本发明还提供了一种待测环境模拟装置3，参阅图3，待测环境模拟装置3包括气体发生装置31、反应装置32和废气处理装置33；气体发生装置31与反应装置32相连，反应装置32与废气处理装置33相连，电极传感器1置于反应装置32中，气体发生装置31提供待测气体，本实施例中，待测气体为h2s(硫化氢)气体，h2s的浓度从0-10％、间隔为0.5％变化，反应过程中持续观察第一电极11、第二电极12和第三电极13的颜色，判断第一电极11的表面颜色相较于第二电极12的表面颜色是否发生变化，若是，则判定待测环境中含有待测气体；具体地，还可以通过判断第三电极13的颜色是否有变化判断是否有待测气体；另外，在电极传感器1置于反应装置32中30分钟后通过检测装置2测量第一电极11的电阻，基于第一电极11的电阻判断待测环境中的待测气体的浓度。具体地，还可以通过检测装置2测量第二电极12或第三电极13的电阻。
92.需要说明的是，实际生活和工业应用中，可以不用提供上述待测环境模拟装置3，而是直接将电极传感器置于真实的待测环境中即可。
93.结合图1和图3并参阅图4，本发明还提供了一种检测方法，检测方法包括：
94.将上述任一方案中的电极传感器1置于待测环境中；
95.放置预设时间后，判断第一电极11的表面颜色相较于第二电极12的表面颜色是否发生变化，若是，则判定待测环境中含有待测气体。
96.具体地，电极传感器1可以为图1、图3及实施例中的电极传感器1，电极传感器1的具体结构请参阅图1及相关文字描述，此处不再累述。
97.在其中一个实施例中，待测气体可以包括含硫的化合物；具体地，所述含硫的化合物包括但不限于硫化氢气体、一氧化硫气体、二氧化硫气体、cos(羰基硫)或含硫氨基酸。
98.在其中一个实施例中，还可以判断第三电极13的表面颜色是否发生变化，若是，则判定待测环境中含有待测气体。
99.在其中一个实施例中，检测方法还包括：检测第一电极11的电阻，基于第一电极11的电阻判断待测环境中的待测气体的浓度；
100.在另一个实施例中，检测方法还包括：检测第二电极12的电阻。
101.在另一个实施例中，检测方法还包括：检测第三电极13的电阻。
102.具体地，结合图3的检测系统，本实施例中，在电极传感器1置于反应装置32中达到预设时间后通过检测装置2测量第一电极11的电阻，基于第一电极11的电阻判断待测环境中的待测气体的浓度。
103.在一个实施例中，若所述待测气体包含硫或硫的化合物，则第一电极11与待测气体反应后的电阻的阻值会随反应产物的增多而变大。
104.需要说明的是，第一电极11与待测气体反应后的电阻的阻值依据待测气体成分的不同而不同，在其他实施例中，第一电极11与待测气体反应后的电阻的阻值可以随反应产物的增多而变小，并不受上述实施例所限制。
105.本发明中的电极传感器及其制备方法、检测系统和检测方法，可快速检测环境中是否有待测元素以及元素浓度是否过高，并且成本低廉。通过电极传感器的第一电极置于待测气体中达到设定时间后的颜色变化来判定待测环境中是否含有待测元素，同时采用第
二电极和包覆第二电极的透明隔离层作为对照，可以更快速且直观地看出第一电极与待测气体反应后颜色的不同；通过检测系统将电极传感器的第一电极置于待测气体中，达到设定时间后对第一电极的电阻进行检测，来判断待测环境中的待测气体的浓度，并通过实时监测电阻的变化来判断待测环境中的待测气体的浓度是否在持续变化。通过对环境中待测气体的测量与标定，在对人身安全进行预警的同时，可以对元器件运输、保存环境进行快速评估，进而对元器件的使用寿命进行预测和评价，能够提前做出对策，保障电子元器件在复杂环境下的高可靠应用。
106.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
107.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。