[发明专利]声表面波传感器复合敏感膜的制备装置和制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种声表面波传感器复合敏感膜的装置和制备工艺。

背景技术

声表面波器件是在压电基片上制备叉指换能器而得。利用逆压电效应和压电效应，叉指换能器激励和接受声波。声表面波气体传感器是在声表面波器件表面沉积敏感材料，以实现对被测气体的选择性吸附/吸收，从而提高传感器对其的灵敏度和选择性。敏感材料对被测气体的吸附/吸收，可认为是两者之间建立了相互作用，可能的相互作用有氢键、范德华力、共价键、离子键等。敏感材料可以是薄膜形态和纤维。敏感材料吸收被测气体后，其重量(质量效应)、粘弹性(粘弹效应)、电导率(声电效应)、介电常数(介电效应)等物理特性发生改变，对基片表面的声波传输产生扰动，声波的幅度、相位、频率相应地发生变化。敏感材料吸附/吸收被测气体的过程，通常同时存在不止一种物理特性变化，即多种敏感材料对声波传播的作用机理。多重效果的叠加是此类传感器具有高灵敏度的原因之一。

将若干种敏感材料掺杂在一起得到复合敏感膜，以增加作用机理，提高灵敏度，是一种明显而有效的思路，但受到敏感材料沉积工艺的限制，实际应用得不多。

声表面波传感器在有机挥发性化合物(VOC)气体检测领域具有明显的应用价值。为获得较高的灵敏度，基于同性相溶的原理，检测此类气体多采用聚合物等有机物作为敏感材料，沉积工艺多为溶液法的滴涂、旋涂、喷涂。滴涂是将少量溶液滴在器件表面，待溶剂挥发后获得一层薄膜。旋涂是一种非常成熟的工艺，将基片用机械泵吸在转盘上，将溶液覆盖整个基片表面，然后高速旋转甩掉大部分的溶液，残余溶液会在基片表面平整地铺开，形成一层薄膜。气喷是先用高压氮气将溶液雾化变成液滴，形成射流，液滴从上至下沉积在器件表面。

传统的溶液法制备复合膜有一个前提，要求复合膜中的各种材料能够配置成一种溶液。在复合敏感膜制备过程中，这个条件往往很难满足，例如不能制备出由碳纳米管与聚乙烯亚胺二元组成的复合敏感膜，因为在碳纳米管悬浮液中加入聚乙烯亚胺后，会出现碳纳米管结块沉淀现象。

此外，声表面波传感器对敏感膜的成膜质量要求苛刻。敏感膜的厚度不超过100nm，具有较小的表面粗糙度和较小的应力，成膜工艺应具有较好的重复性。虽然可以采用超声震荡等方法得到悬浊液，但是最终获得的薄膜仍存在表面不平整等问题，不满足要求。

由此可知，复合敏感膜在声表面波气体传感器中应用较少地主要原因是：1、不满足制备工艺的实施条件；2、难以达到所需的成膜质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种声表面波传感器复合敏感膜的制备装置和制备工艺。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种声表面波传感器复合敏感膜的制备装置，包括出口对准声表面波器件(3)的表面的至少两个气喷雾沉积装置，不同的气喷雾沉积装置中填装不同材料的溶液或者悬浊液，所有气喷雾沉积装置在一个声表面波器件(3)的表面上同时沉积多种材料，从而获得复合敏感膜(4)。

气喷雾沉积，又名为气喷、喷涂，英文airbrush和air spray，是一种薄膜沉积工艺，广泛应用于多个行业，虽然精细度有区别，但工作原理基本相同，即压缩气体将溶液雾化成小液滴，喷射到薄膜沉积的物体表面。在飞行的过程中，液滴中的溶剂挥发，液滴因此缩小，粘稠度增加，以点状的形式均匀沉积到物体表面。由于粘稠度较大，液滴不能在表面流动；由于液滴尺寸很小，因此具有一定的平整度。

本发明还提供一种声表面波传感器复合敏感膜的制备工艺，包括：

步骤1：在声表面波器件(3)的上方设置至少两个气喷雾沉积装置，使每个气喷雾沉积装置的出口对准声表面波器件(3)的表面；

步骤2：根据需要喷涂的复合敏感膜的参数调节好每一个气喷雾沉积装置的工艺参数；

步骤3：用挡板将所有气喷雾沉积装置的喷口挡住，打开所有气喷雾沉积装置的开关，待形成稳定的射流后，移开挡板，所有气喷雾沉积装置同时对声表面波器件（3）进行沉积，在声表面波器件（3）的表面形成复合敏感膜（4），待沉积持续进行了所需的时间后，用挡板将所有气喷雾沉积装置的喷口挡住，关闭所有气喷雾沉积装置的开关，工艺流程结束。

其中，步骤2中的工艺参数包括气喷雾装置至声表面波器件的距离，溶液的浓度、溶液流出的流量、压缩气体的压强；溶液流出的流量通过溶液输送管上的旋钮调节，压缩气体的压强通过气管上的阀门调节。

其中，通过调节每一气喷雾沉积装置的溶液流出的流量，来改变复合敏感膜（4）中各组分的比例。