一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種利用水吸收甲醛的表面波甲醛氣體傳感器結(jié)構(gòu)，包括壓電基片、電極、導(dǎo)電敏感膜、絕緣敏感膜和電氣引線，導(dǎo)電敏感膜、絕緣敏感膜吸附水蒸氣，水蒸氣吸附甲醛氣體。吸附甲醛氣體后，導(dǎo)電敏感膜的電導(dǎo)率發(fā)生變化，而絕緣敏感膜不發(fā)生變化，因此相應(yīng)的輸出頻率產(chǎn)生不同變化，兩者之差是傳感器對甲醛氣體的響應(yīng)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：針對甲醛的沸點(diǎn)低、分子質(zhì)量小、易溶于水的特點(diǎn)專門研制的聲表面波氣體傳感器，檢測靈敏度高，不需要手工采樣。
【專利說明】一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及氣體傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種聲表面波甲醛氣體傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]甲醛易溶于水，這個特性被廣泛應(yīng)用于甲醛氣體檢測領(lǐng)域，包括國家標(biāo)準(zhǔn)《公共場所空氣中甲醛測定方法》GB/T18204.26-2000和一些現(xiàn)場快速檢測設(shè)備。Kawamura等人以AHMT (4-氨基-3-聯(lián)氮-5-硫基-1，2，4-三氮雜茂)和氫氧化鉀溶液為吸收液，將100 μ L的吸收液滴在一個圓形過濾器上.過濾器暴露在甲醛氣體中，溶液中的水吸收甲醛氣體，而后AHMT和甲醛發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)顏色變化。通過光敏二極管發(fā)射管的強(qiáng)度來測度顏色強(qiáng)度變化(參見2005年Sensors and Actuators B, 105卷，495-501)。此類檢測技術(shù)需要配置吸收液溶液，一定的采樣時間，而且現(xiàn)場快速檢測設(shè)備需要在每次檢測完成后更換過濾器等耗材，離完全的自動化檢測還有一定的距離。
[0003]聲表面波器件是在壓電基片上制備電極而得。利用逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，電極激勵和接受聲波。聲表面波氣體傳感器是在聲表面波器件的表面沉積敏感材料，以實(shí)現(xiàn)對被測氣體的選擇性吸附\吸收，從而提高傳感器對其的靈敏度和選擇性。由于靈敏度高、自動化檢測流程、不需要手工采樣等優(yōu)點(diǎn)，聲表面波傳感器成功應(yīng)用于氣體現(xiàn)場快速檢測領(lǐng)域，檢測對象包括神經(jīng)性毒劑、糜爛性毒劑、苯系物等。
[0004]聲表面波傳感器雖然具有高靈敏度，但是容易受到干擾。雙通道的設(shè)置可解決該問題:采用基片材料、電極圖案等參數(shù)均保持一致的兩只聲波傳輸通道，其中一只涂敷有機(jī)敏感薄膜(檢測通道)，另一只不涂敷(參考通道)。兩只通道通過電氣連接分別置于兩個相同的振蕩電路中，各自輸出一個頻率信號。傳感器的響應(yīng)結(jié)果由參考通道頻率減去檢測通道頻率獲得。溫度等環(huán)境因素對兩者的影響是相同的，因此可由頻率相減消除，理想情況下，傳感器的響應(yīng)結(jié)果完全起決于有機(jī)敏感薄膜自身的變化。
[0005]聲表面波傳感器的檢測原理是，敏感材料吸收被測氣體后，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，對基片表面的聲波傳輸產(chǎn)生擾動，聲波的幅度、相位、頻率相應(yīng)地發(fā)生變化。敏感材料吸附\吸收被測氣體的過程，通常同時存在不止一種物理特性變化，即多種敏感材料對聲波傳播的作用機(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。與神經(jīng)性毒劑、糜爛性毒劑、苯系物等不同，目前已報(bào)道的聲表面波甲醛傳感器的靈敏度不高，其原因是:甲醛的沸點(diǎn)低，與上述高沸點(diǎn)VOC物質(zhì)相比，敏感材料對其的吸附量有限；甲醛分子質(zhì)量小，質(zhì)量增加的作用有限，若敏感材料為絕緣材料，則只有體積膨脹效應(yīng)，靈敏度不高。
[0006]大連理工的孫蕾等人2005年首次將碳納米管作為敏感材料，利用聲電效應(yīng)檢測甲醛，檢測下限是0.6mg/m3，而使用絕緣的聚合物只能檢測出30mg/m3的甲醛氣體(參見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)。根據(jù)國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，甲醛在I類民用建筑接觸限值是0.08mg/m3，II類民用建筑是0.lmg/m3。(參見民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范(2006年版)-GB50325-2001 ；中華人民共和國國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GBZ2.1-2007工作場所有害因素職業(yè)接觸限值)因此，目前聲表面波甲醛傳感器的性能無法滿足實(shí)際需要。
[0007]空氣中含有一定的水蒸氣，某些聚合物材料對水蒸氣具有非常好的吸收性，例如
十二醇等。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型的所要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種利用水吸收甲醛提高靈敏度的聲表面波甲醛氣體傳感器結(jié)構(gòu)。
[0009]本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的:包括壓電基片(I)、電極
(2)、導(dǎo)電敏感膜(3)、絕緣敏感膜(4)和電氣引線(5)，電極(2)布置在壓電基片(I)上，電氣引線(5)連接電極(2)，導(dǎo)電敏感膜(3)和絕緣敏感膜(4)覆蓋在壓電基片(I)上，可以同時覆蓋在電極(2)上，也可以只覆蓋在除了電極(2)的壓電基片(I)上，可以完全覆蓋也可以部分覆蓋在壓電基片(I)上。
[0010]導(dǎo)電敏感膜(3)、絕緣敏感膜(4)采用能夠吸收空氣中的水蒸氣的敏感材料。
[0011]本實(shí)用新型的利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器的工作原理是，由于甲醛氣體在水中的溶解度比在聚合物中更大的特點(diǎn)，導(dǎo)電敏感膜(3 )、絕緣敏感膜(4 )選擇性吸收水蒸氣，水吸收甲醛氣體，從而提高甲醛氣體的吸附量。
[0012]其中，對于濃度小于5mg/m3的甲醛氣體而言，水蒸氣吸附甲醛氣體后，導(dǎo)電敏感膜(3 )的電導(dǎo)率發(fā)生變化，由于聲電效應(yīng)，輸出頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而絕緣敏感膜(4 )由于沒有聲電效應(yīng)，對甲醛的靈敏度不高，輸出頻率不變。
[0013]其中，對于濃度小于5mg/m3的甲醛氣體而言，導(dǎo)電敏感膜(3)對應(yīng)的輸出頻率變化Λfconductive由水蒸氣的響應(yīng)Λ fwater和甲醛的響Λ




fformaldehyde兩部分組成:ΛfconductiveΛfwatCT+Affomaldehyde。絕緣敏感膜⑷的輸出頻率則只有水蒸氣的響應(yīng)AfwatCT2，由此可得當(dāng)前的濕度，得到Λ fwater以及Δ ff_alctehyde，從而獲得甲醛氣體濃度。
[0014]其中，絕緣敏感膜(4)可選用的具有吸附水蒸氣功能的材料有十二醇、聚丙烯酸
酯、聚硅氧烷。
[0015]導(dǎo)電敏感膜(3)為復(fù)合材料，由導(dǎo)電顆粒材料和吸附水蒸氣的絕緣材料組成，吸附水蒸氣的絕緣材料與絕緣敏感膜(4)相同?？蛇x的導(dǎo)電顆粒材料為碳納米管、石墨烯、炭黑、納米金顆粒、納米氧化鋅顆粒、聚噻吩納米纖維、聚苯胺納米纖維、聚吡咯納米纖維。導(dǎo)電顆粒材料和吸附水蒸氣的絕緣材料可以用任意比混合，可以是均勻分布，又可以是不均勻分布，還可以完全分離。
[0016]其中，導(dǎo)電敏感膜(3)、絕緣敏感膜(4)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)O
[0017]其中，導(dǎo)電敏感膜(3)、絕緣敏感膜(4)既可以完全覆蓋整個壓電基片(1)，又可以僅覆蓋電極⑵之間的部分壓電基片⑴表面。
[0018]為避免導(dǎo)電敏感膜⑶與電極⑵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Si02、SiN, ZnO、聚對二甲苯、聚酰亞胺中的一種或幾種。
[0019]其中，可采用的聲表面波模式包括瑞利波、LAMB波、樂甫波、漏波、水平剪切波。[0020]其中，電極(2)可采用的材料為金、銀、銅、鋁、鉻、鎳，以及上述材料的合金。
[0021]其中，壓電基片(I)可采用的材料為石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰。
[0022]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:針對甲醛的沸點(diǎn)低、分子質(zhì)量小、易溶于水的特點(diǎn)專門研制的聲表面波氣體傳感器，檢測靈敏度高，不需要手工采樣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本實(shí)用新型利用水吸收甲醛的表面波甲醛氣體傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0024]附圖標(biāo)記包括:
[0025]壓電基片1、電極2、導(dǎo)電敏感膜3、絕緣敏感膜4和電氣引線5【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0027]請參閱圖1所示，本實(shí)用新型利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器包括壓電基片1、電極2、導(dǎo)電敏感膜3、絕緣敏感膜4和電氣引線5。
[0028]根據(jù)需要，依次在壓電基片I上制備相應(yīng)的電極2、導(dǎo)電敏感膜3、絕緣敏感膜4。
[0029]實(shí)施例一
[0030]壓電基片I選擇ST-石英，電極2選擇鋁，導(dǎo)電敏感膜3的導(dǎo)電顆粒材料選擇碳納米管，吸收水蒸氣的材料與絕緣敏感膜4相同，選擇十二醇。
[0031]本實(shí)用新型所提供的聲表面波甲醛氣體傳感器的制備方法如下:
[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。沖洗干凈后，經(jīng)過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，得到電極2。根據(jù)其中心頻率選定電極2周期長度，此處選擇40 μ m,波的傳播方向平行于X軸，對應(yīng)的頻率為80MHz。使用超聲波壓焊工藝將直徑40 μ m的硅鋁合金絲一端固定在電極2的表面，一端固定在器件底座的引腳上，形成電氣引線5。將碳納米管和十二醇加入到乙醇溶劑，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。在壓電基片I表面放置一層漏板，漏板上有一個2X2nim的小孔，正對著導(dǎo)電敏感膜3沉積的位置，壓電基片I其他位置則被遮擋住。采用噴涂工藝在該位置上制備70nm厚的敏感薄膜，也就是導(dǎo)電敏感膜3。配置十二醇溶液，溶劑為乙醇，濃度0.5mg/mL。在壓電基片I表面放置一層漏板，漏板上有一個2 X 2mm的小孔，正對著絕緣敏感膜4沉積的位置，壓電基片I其他位置則被遮擋住。采用噴涂工藝在該位置上制備70nm厚的敏感薄膜，也就是絕緣敏感膜4。
[0033]實(shí)施例二
[0034]壓電基片I選擇鈮酸鋰，電極2選擇金/鈦，其中鈦?zhàn)鳛榛徒鹉ぶg的中間層，以提高金膜的附著性，導(dǎo)電敏感膜3的導(dǎo)電顆粒材料選擇炭黑，吸收水蒸氣的材料與絕緣敏感膜4相同，選擇聚醋酸乙烯酯。
[0035]采用剝離工藝制備叉指電極:旋涂一層光刻膠，經(jīng)經(jīng)過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⑴接觸的部分，得到電極2的圖案。波的傳播方向垂直于X軸，根據(jù)其中心頻率選定電極2周期長度，選擇20 μ m,對應(yīng)的頻率為160MHz。使用超聲波壓焊工藝將直徑40 μ m的硅鋁合金絲一端固定在電極2的表面，一端固定在器件底座的引腳上，形成電氣引線5。將一定量的炭黑粉末、聚醋酸乙烯酯加入到氯仿溶劑，并將其放入超聲機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲，促進(jìn)分散和溶解，得到混合懸池液，濃度分別為0.002(w/w)%和lmg/mL。在壓電基片I表面放置一層漏板，漏板上有一個2 X 2mm的小孔，正對著導(dǎo)電敏感膜3沉積的位置，壓電基片I其他位置則被遮擋住。采用噴涂工藝在該位置上制備35nm厚的敏感薄膜，也就是導(dǎo)電敏感膜3。配置聚醋酸乙烯酯溶液，溶劑為氯仿，濃度lmg/mL。在壓電基片I表面放置一層漏板，漏板上有一個2X2mm的小孔，正對著絕緣敏感膜4沉積的位置，壓電基片I其他位置則被遮擋住。采用噴涂工藝在該位置上制備35nm厚的敏感薄膜，也就是絕緣敏感膜4。
[0036]實(shí)施例三
[0037]壓電基片I選擇鈮酸鋰，電極2選擇鋁，導(dǎo)電敏感膜3的導(dǎo)電顆粒材料選擇納米金顆粒，吸收水蒸氣的材料與絕緣敏感膜4相同，選擇聚硅氧烷。
[0038]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，得到電極2。波的傳播方向垂直于X軸，根據(jù)其中心頻率選定電極2周期長度，選擇10 μ m，頻率為320MHz。使用超聲波壓焊工藝將直徑40 μ m的硅鋁合金絲一端固定在電極2的表面，一端固定在器件底座的引腳上，形成電氣引線5。將一定量的納米金顆粒、聚硅氧烷加入到氯仿溶劑，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0.002(w/w)%和lmg/mL。在壓電基片I表面放置一層漏板，漏板上有一個2X2nim的小孔，正對著導(dǎo)電敏感膜3沉積的位置，壓電基片I其他位置則被遮擋住。采用噴涂工藝在該位置上制備IOnm厚的敏感薄膜，也就是導(dǎo)電敏感膜3。配置聚硅氧烷溶液，溶劑為氯仿，濃度lmg/mL。在壓電基片I表面放置一層漏板，漏板上有一個2 X 2mm的小孔，正對著絕緣敏感膜4沉積的位置，壓電基片I其他位置則被遮擋住。采用噴涂工藝在該位置上制備IOnm厚的敏感薄膜，也就是絕緣敏感膜4。
[0039]以上所述僅為本實(shí)用新型創(chuàng)造的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型創(chuàng)造，凡在本實(shí)用新型創(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)包含在本實(shí)用新型創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器，包括壓電基片(I)，電極(2)和電氣引線(5)，電極(2)布置在壓電基片(I)上，電氣引線(5)連接電極(2)，其特征在于:還包括導(dǎo)電敏感膜(3 )、絕緣敏感膜(4 )，導(dǎo)電敏感膜(3 )和絕緣敏感膜(4 )覆蓋在壓電基片(I)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電敏感膜(3)由導(dǎo)電顆粒材料和吸附水蒸氣的絕緣材料混合組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電顆粒材料和吸附水蒸氣的絕緣材料用是均勻分布，或者是不均勻分布，或者完全分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電敏感膜(3)、絕緣敏感膜(4)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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電敏感膜(3)、絕緣敏感膜(4)完全覆蓋整個壓電基片(I)，或者僅覆蓋電極(2)以及兩者之間的壓電基片(I)表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水吸收甲醛的聲表面波甲醛氣體傳感器，其特征在于:導(dǎo)電敏感膜⑶與電極⑵之間有一層薄的介質(zhì)層。
【文檔編號】G01N29/036GK203606322SQ201320664763
【公開日】2014年5月21日 申請日期: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, 張婧 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所