[发明专利]双膜复合氢敏器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高选择性的氢气传感元器件及其制备方法，更确切地说，本发明涉及由两种分离膜复合在一起的氢气传感元器件及其制备方法，属于传感器技术领域。

氢气的检测在石油加工、石油化工及其他与临氢加工有关的领域内是一项很普通的分析项目。随着科学技术的不断深入发展，以化学物质成分为检测参数的化学传感器已广泛地应用于氢气的检测中。现有的氢敏器件发展和研究主要是从器件材料、表面金属或金属氧化物的改性及半导体器件制备工艺等方面来考虑对传感器的探头性能加以改进。有关的文献报导有Pd-MOSFET氢敏器件[M.Armgarth et.al.，Appl.Phys.Lett.，41（7），654（1982）]，Pd/SiO₂/Si MOS氢敏器件[K.W.Jelley et.al.，IEEE Trans.Electron Devices.Vol.ED-34（10）.2086（1987）]，ZnO-Pd氢敏器件[S.P.S.Arya.Thin Solid Films.157，169（1988）]，TiO₂-Pt氢敏器件[L.A.Harris，J.Electrochem.Soc.：Solid-State Science and Technology.（12）2657（1980）]等。用上述的氢敏器件制成的探头直接用于含有腐蚀性气体或含有粉尘的环境中，或在气流的冲击较剧烈的情况下，由于探头材料本身材质强度较差及结构纤细等原因，探头的寿命及选择性会明显降低，检测信号的噪音增大，从而影响了使用性能。

芳杂环高分子膜是一种有机高分子膜[卢凤才等，“几种芳杂环高分子膜对气体分离性能的研究”，高分子学报，（5），342（1987）]。这种高分子有机化合物的结构式是：

它能耐高温，并具有良好的力学性能及耐化学介质的性能，而其最大的特点是对氢气有明显的分子透过选择能力。

本发明的目的就是将这种芳杂环高分子膜与上述目前已应用的氢敏器件，如Pd-MOSFET器件或其他有类似性能的氢敏器件，予以结合进来，以利用其各自的性能特点，制成一种兼有其各自特性的双膜复合氢敏器件探头。

氢敏MOS管是半导体场效应化学传感器中的一种，它可以检测微量（达0.1ppm）的氢，它的结构特点是用过渡金属钯（Pd）做MOS器件的金属栅（膜），钯栅的厚度在几百埃左右[刘广玉，《几种新型传感器-设计和应用》，国防工业出版社，329页，1988年]这种Pd-MOS管虽然有很高的灵敏度和良好的选择性，但缺点是不稳定，本发明就是以普通市售的氢敏器件，如北京电子管二厂的商品Pd-MOSFET器件，在其表面涂覆一层芳杂环高分子膜，制成一种双膜复合的氢传感器元器件。它具有高选择性、抗毒化、耐振动、耐化学物质腐蚀等兼有有机高分子化合物对氢的渗透性能及金属或金属氧化物膜氢敏器件的优良传感性能。它对氢有专一响应，但对其他化学环境中可能存在的有机或无机气体（如空气、CO、CO₂、H₂O、H₂S、HCL、CL₂、烃类、氮化物、硫化物等）基本上没有响应。有机高分子膜的包覆也隔离了器件表面及引线与环境的直接接触，加固了引线与基底的连接，改善了探头的工作性能。因此，本发明的双膜复合氢敏器件能适用于各类环境的氢含量检测及报警。

本发明双膜复合氢敏器件的制备方法如下：

1、按照上述卢凤才等发表的方法，合成芳杂环高分子单体树脂。

2、用N，N′-二甲基甲酰胺（水含量应小于500ppm）将树脂稀释成浓度在5～15%（重量）范围的溶液，密封备用。

3、将市售的Pd-MOSFET氢敏器件的保护封帽取下，把探头固定在一个工作夹持器上以便进行探头位置的调整，使器件表面基本上处于水平位置。

4、用注射抽取5～10毫升丙酮（化学纯），冲洗器件的工作表面。

5、将上述经过稀释的树脂溶液0.2～0.4毫升滴加在器件的表面上。

6、将器件置于60～70℃的环境温度下烘烤，使树脂溶液中的溶剂蒸发除去，使其初步固化。

7、把探头封帽重新套在氢敏器件上并固定。

8、在氮气的保护下，将氢敏器件置于烘箱内，升温至300℃，恒温保持2～3小时，使探头表面树脂充分固化而成芳杂环高分子膜。

9、将温度降至室温，即得到本发明的双膜复合氢敏器件。