一種基于導(dǎo)電復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器，包括壓電基片(1)，叉指換能器(2)，導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)，所述導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)由導(dǎo)電顆粒(4)和絕緣材料(5)組成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：絕緣材料(5)選擇性吸收\(chéng)吸附甲醛氣體后體積會(huì)發(fā)生改變，改變導(dǎo)電復(fù)合敏感材料的體積，導(dǎo)致導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)內(nèi)部的導(dǎo)電顆粒(4)之間的間距變化，進(jìn)而改變導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)的電導(dǎo)率，產(chǎn)生聲表面波的聲電效應(yīng)，從而提高傳感器對(duì)甲醛氣體的靈敏度。
【專利說(shuō)明】一種基于導(dǎo)電復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種聲表面波甲醛氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]聲表面波器件是在壓電基片上制備叉指換能器而得。利用逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，叉指換能器激勵(lì)和接受聲波。聲表面波氣體傳感器是在聲表面波器件表面沉積敏感材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體的選擇性吸附\吸收，從而提高傳感器對(duì)其的靈敏度和選擇性。敏感材料對(duì)被測(cè)氣體的吸附\吸收，可認(rèn)為是兩者之間建立了相互作用，可能的相互作用有氫鍵、范德華力、共價(jià)鍵、離子鍵等。敏感材料可以是薄膜形態(tài)和纖維。敏感材料吸收被測(cè)氣體后，其重量(質(zhì)量效應(yīng))、粘彈性(粘彈效應(yīng))、電導(dǎo)率(聲電效應(yīng))、介電常數(shù)(介電效應(yīng))等物理特性發(fā)生改變，對(duì)基片表面的聲波傳輸產(chǎn)生擾動(dòng)，聲波的幅度、相位、頻率相應(yīng)地發(fā)生變化。敏感材料吸附\吸收被測(cè)氣體的過(guò)程，通常同時(shí)存在不止一種物理特性變化，即多種敏感材料對(duì)聲波傳播的作用機(jī)理。多重效果的疊加是此類傳感器具有高靈敏度的原因之一。
[0003]總之，聲表面波傳感器對(duì)被測(cè)氣體的檢測(cè)機(jī)理包括兩個(gè)部分:1、敏感材料與被測(cè)氣體之間的相互作用；2、敏感材料對(duì)聲表面波傳輸參數(shù)的作用機(jī)理。
[0004]在檢測(cè)神經(jīng)性毒劑、糜爛性毒劑、苯系物等有機(jī)揮發(fā)性化合物(VOC)的應(yīng)用中，敏感材料多為不導(dǎo)電的聚合物。這是由于聚合物和VOC氣體同屬有機(jī)物，基于同性相溶的原理，聚合物相比其他材料，對(duì)VOC氣體的吸附\吸收能力更強(qiáng)。敏感機(jī)理主要是質(zhì)量效應(yīng)和粘彈效應(yīng)。
[0005]聲表面波傳感器檢測(cè)甲醛的情況則不同。大連理工的周洪林等人于2007年采用不導(dǎo)電的聚合物作為敏感材料，但只能檢測(cè)出30mg/m3以上濃度的甲醛氣體(參見(jiàn)2007年周洪林，聲表面波甲醛氣體傳感器研究大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，36-50)。盡管甲醛也是VOC物質(zhì)，能夠被多種聚合物吸附\吸收，但是甲醛的沸點(diǎn)低，與苯系物等高沸點(diǎn)VOC物質(zhì)相比，敏感材料對(duì)其的吸附量有限；甲醛分子質(zhì)量小，質(zhì)量增加的作用有限，僅有體積膨脹效應(yīng)，傳感器的靈敏度不高。
[0006]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),聲電效應(yīng)對(duì)靈敏度的貢獻(xiàn)明顯高于質(zhì)量效應(yīng)(參見(jiàn)Analytical.Chemistry, 1988，60卷，230 - 235頁(yè))。大連理工的孫蕾等人利用該特性，于2005年首次將碳納米管作為敏感材料，沉積在聲表面波器件上，用于甲醛氣體檢測(cè)。該傳感器的檢測(cè)下限是0.6mg/m3，但是碳納米管薄膜對(duì)氧氣很敏感，甲苯、α -派烯對(duì)其也有很大的干擾(參見(jiàn)2005年孫蕾，用于聲表面波甲醛傳感器的相關(guān)系統(tǒng)研究，大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，52-69)。碳納米管易受不同氣體的干擾的原因是其對(duì)氣體吸附不具有選擇性；碳納米管的靈敏度更高則是因?yàn)槁暠砻娌▊鞲衅鞒速|(zhì)量效應(yīng)外，還存在聲電效應(yīng)、介電效應(yīng)等敏感機(jī)理。與絕緣聚合物吸附氣體只有質(zhì)量效應(yīng)相比，碳納米管通過(guò)聲電效應(yīng)、介電效應(yīng)，可檢測(cè)出濃度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的甲醛氣體，可知這兩者的作用比質(zhì)量效應(yīng)大得多。
[0007]東華大學(xué)Weili Hu等人在石英晶體微天平(QCM)器件上制備聚乙烯亞胺(PEI)/細(xì)菌纖維素(BC)復(fù)合納米纖維，用于檢測(cè)甲醛氣體。聚乙烯亞胺(PEI)吸附甲醛氣體，細(xì)菌纖維素(BC)提供納米纖維的結(jié)構(gòu)支撐，兩者均為絕緣材料。該傳感器對(duì)甲醛的敏感機(jī)理主要為質(zhì)量效應(yīng)。(參見(jiàn) Sensors and Actuator B:Chemical, 2011, 157 卷，554 - 559 頁(yè))

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種既能對(duì)甲醛選擇性檢測(cè)，又能利用聲電效應(yīng)提高對(duì)甲醛氣體靈敏度的聲表面波甲醛氣體傳感器。
[0009]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題的:一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器，包括壓電基片(I)，叉指換能器(2)，導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)，導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)由導(dǎo)電顆粒(4)和絕緣材料(5)組成。
[0010]本發(fā)明的聲表面波甲醛氣體傳感器的工作原理是采用絕緣材料(5)選擇性吸收\(chéng)吸附甲醛氣體，從而改變導(dǎo)電復(fù)合敏感材料的體積，導(dǎo)致導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)內(nèi)部的導(dǎo)電顆粒(4)之間的間距變化，進(jìn)而改變導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)的電導(dǎo)率，產(chǎn)生聲表面波的聲電效應(yīng)，從而提高傳感器對(duì)甲醛氣體的靈敏度。
[0011]其中，絕緣材料(5)吸附\吸收甲醛氣體后體積會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)電顆粒(4)可以吸附也可以不吸附甲醛氣體，可用的絕緣材料(5)有聚乙烯亞胺、環(huán)氧氯丙烷，可用的導(dǎo)電顆粒(4)有炭黑、碳納米管、石墨烯、納米金。
[0012]其中，在導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)內(nèi)，導(dǎo)電顆粒⑷和絕緣材料(5)可以用任意比混合，可以是均勻分布，又可以是不均勻分布，還可以完全分離。
[0013]其中，導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)的形式可以是面狀的二維形式(例如薄膜)，也可以是線狀的一維形式(例如纖維)，還可以是點(diǎn)狀的零維形式(例如離散的顆粒)。
[0014]其中，導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)完全覆蓋壓電基片(I)，或者僅覆蓋兩叉指換能器
(2)之間的壓電基片⑴表面，或者叉指換能器⑵以及兩叉指換能器⑵之間的壓電基片
(I)表面。
[0015]其中，若導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)覆蓋在叉指換能器⑵上，為避免導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)與叉指換能器(2)之間短路，可在兩者之間增加一層薄的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的介質(zhì)材料包括SiO2、SiN、ZnO、聚對(duì)二甲苯、聚酰亞胺中的一種或幾種。
[0016]其中，可采用的聲表面波模式包括瑞利波、LAMB波、樂(lè)甫波、漏波、水平剪切波。
[0017]其中，叉指換能器(2)可采用的材料為金、銀、銅、鋁、鉻、鎳，以及上述材料的合金。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:米用導(dǎo)電復(fù)合敏感材料，能夠產(chǎn)生聲表面波的聲電效應(yīng)，從而提高傳感器對(duì)甲醛氣體的靈敏度，并且實(shí)現(xiàn)甲醛氣體檢測(cè)的全自動(dòng)化，無(wú)須手工采樣。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醒氣體傳感器的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0020]附圖標(biāo)記包括:
[0021]I 一壓電基片2—叉指換能器3—導(dǎo)電復(fù)合敏感材料4 一導(dǎo)電顆粒5—絕緣材料【具體實(shí)施方式】
[0022]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器包括:壓電基片1、叉指換能器2、導(dǎo)電復(fù)合敏感材料3。所述導(dǎo)電復(fù)合敏感材料3包括導(dǎo)電顆粒4和絕緣材料5。
[0023]實(shí)施例一
[0024]壓電基片I選擇ST-石英，叉指換能器2選擇鋁，敏感材料3中的導(dǎo)電顆粒4選擇石墨烯，絕緣材料5選擇聚環(huán)氧氯丙烷。
[0025]本發(fā)明所提供的聲表面波甲醛氣體傳感器的制備方法如下(實(shí)例):
[0026]采用真空熱蒸發(fā)工藝在壓電基片I的正面上制備出一層鋁膜，厚度約為0.55 μ m。再采用旋涂工藝在鋁膜表面沉積一層光刻膠，經(jīng)過(guò)I分鐘100°C前烘后，在其表面覆蓋一光刻板，曝光10秒，撤去光刻板，在25 V N(CH3)4OH顯影液中浸泡5秒，受到曝光的光刻膠溶解，露出鋁膜，被掩蓋住的光刻膠保留。去離子水沖洗干凈后，經(jīng)過(guò)20分鐘180°C的烘烤，采用腐蝕液將未被光刻膠覆蓋區(qū)域的鋁膜腐蝕完全，而被光刻膠覆蓋的鋁膜保留，得到叉指換能器2。波的傳播方向平行于X軸，根據(jù)其中心頻率選定叉指換能器2周期長(zhǎng)度，選擇40 μ m，對(duì)應(yīng)的頻率為80MHz。將一定量的石墨烯(導(dǎo)電顆粒4)、聚環(huán)氧氯丙烷(絕緣材料5)加入到氯仿溶劑，并將其放入超聲機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲，促進(jìn)分散和溶解，得到混合懸濁液，濃度分別為0.001(w/w)%和2mg/mL。采用噴涂工藝在壓電基片I表面制備70nm厚的導(dǎo)電復(fù)合敏感薄膜，用以檢測(cè)甲醛氣體。
[0027]實(shí)施例二
[0028]壓電基片I選擇鈮酸鋰，叉指換能器2選擇金，并使用鈦?zhàn)鳛榛徒鹉ぶg的中間層，以提高金膜的附著性，敏感材料3中的導(dǎo)電顆粒4選擇碳納米管，絕緣材料5選擇聚乙烯亞胺。
[0029]采用剝離工藝制備叉指電極:旋涂一層光刻膠，經(jīng)經(jīng)過(guò)I分鐘100°C前烘后，在其表面覆蓋一光刻板，曝光10秒，撤去光刻板，在25°c N(CH3)4OH顯影液中浸泡5秒，受到曝光的光刻膠溶解，露出壓電基片(I)，被掩蓋住的光刻膠保留。去離子水沖洗干凈后，進(jìn)行20分鐘180°C的烘烤；采用磁控濺射工藝在壓電基片I的正面上先后制備出一層厚度約
0.05 μ m的鈦膜,一層厚度約0.5 μ m的金膜,光刻膠保留的區(qū)域,金屬薄膜沉積在光刻膠上；光刻膠溶解的區(qū)域，金屬薄膜直接沉積在壓電基片(I)上。再將整個(gè)基片浸入丙酮溶劑中，丙酮溶解光刻膠，光刻膠上方的金屬薄膜脫落，僅留下直接與壓電基片(I)接觸的部分，得到叉指換能器2的圖案。波的傳播方向垂直于X軸，根據(jù)其中心頻率選定叉指換能器2周期長(zhǎng)度，選擇20 μ m，對(duì)應(yīng)的頻率為160MHz。將一定量的碳納米管(導(dǎo)電顆粒4)、聚乙烯亞胺(絕緣材料5)加入到乙醇溶劑，并將其放入超聲機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲，促進(jìn)分散和溶解，得到混合懸濁液，濃度分別為0.002(w/w)%和lmg/mL。采用噴涂工藝在壓電基片I表面制備35nm厚的導(dǎo)電復(fù)合敏感薄膜，用以檢測(cè)甲醛氣體。
[0030]實(shí)施例三
[0031]壓電基片I選擇鈮酸鋰，叉指換能器2選擇鋁，敏感材料3中的導(dǎo)電顆粒4選擇石墨烯，絕緣材料5選擇聚乙烯亞胺。
[0032]采用真空熱蒸發(fā)工藝在壓電基片I的正面上制備出一層鋁膜，厚度約為0.55 μ m。再采用旋涂工藝在鋁膜表面沉積一層光刻膠，經(jīng)過(guò)I分鐘100°C前烘后，在其表面覆蓋一光刻板，曝光10秒，撤去光刻板，在25°C N(CH3)4OH顯影液中浸泡5秒，受到曝光的光刻膠溶解，露出鋁膜，被掩蓋住的光刻膠保留。沖洗干凈后，經(jīng)過(guò)20分鐘180°C的烘烤，采用腐蝕液將未被光刻膠覆蓋區(qū)域的鋁膜腐蝕完全，而被光刻膠覆蓋的鋁膜保留，得到叉指換能器2。波的傳播方向垂直于X軸，根據(jù)其中心頻率選定叉指換能器2周期長(zhǎng)度，選擇10 μ m，頻率為320MHz。將一定量的石墨烯(導(dǎo)電顆粒4)、聚乙烯亞胺(絕緣材料5)加入到乙醇溶劑，并將其放入超聲機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲，促進(jìn)分散和溶解，得到混合懸濁液，濃度分別為0.001 (w/w)%和0.5mg/mL。采用噴涂工藝在壓電基片I表面制備IOnm厚的導(dǎo)電復(fù)合敏感薄膜，用以檢測(cè)甲醛氣體。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器，包括壓電基片(1)，叉指換能器(2)，導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)，其特征在于:所述導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)由導(dǎo)電顆粒(4)和絕緣材料(5)組成，絕緣材料(5)選擇性吸收\(chéng)吸附甲醛氣體后體積會(huì)發(fā)生改變，改變導(dǎo)電復(fù)合敏感材料的體積，導(dǎo)致導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)內(nèi)部的導(dǎo)電顆粒(4)之間的間距變化。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電顆粒(4)不吸附甲醛氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:在導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)內(nèi)，導(dǎo)電顆粒(4)和絕緣材料(5)是均勻分布，或者是不均勻分布，或者完全分離。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醒氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)的形式是面狀的二維形式，或者是線狀的一維形式，或者是點(diǎn)狀的零維形式。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醒氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)完全覆蓋壓電基片(I)，或者僅覆蓋兩叉指換能器(2)之間的壓電基片⑴表面，或者叉指換能器⑵以及兩叉指換能器⑵之間的壓電基片⑴表面。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醒氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電復(fù)合敏感材料(3)與叉指換能器(2)之間增加一層薄的介質(zhì)層。
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醒氣體傳感器,其特征在于:所述介質(zhì)層的介質(zhì)材料包括Si02、SiN、ZnO、聚對(duì)二甲苯、聚酰亞胺中的一種或幾種。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醒氣體傳感器，其特征在于:采用的聲表面波模式包括瑞利波、LAMB波、樂(lè)甫波、漏波、水平剪切波中的一種或幾種。
9.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醒氣體傳感器，其特征在于:叉指換能器(2)材料為金、銀、銅、鋁、鉻、鎳的任一種或者上述材料的合金。
10.如權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合敏感材料的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:所述絕緣材料(5)選用聚乙烯亞胺或環(huán)氧氯丙烷，所述導(dǎo)電顆粒(4)選擇炭黑、碳納米管、石墨烯、納米金的任一種。
【文檔編號(hào)】G01N29/02GK103604864SQ201310508417
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】胡佳, 李臻, 余琳, 單志林, 蘇志杰 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所