[發明專利]一種復合敏感膜及制備方法、氣體傳感器及制備方法

有效

• 申請號: 202110484717.8
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113390959B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 劉衛華;吳強;卜祥瑞;李雪;李昕;胡龍;韓傳余;王小力
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02;G01N29/22;C23F1/18;C23F1/28
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開了一種復合敏感膜及制備方法、氣體傳感器及制備方法，將毒氣敏感材料分散到溶劑中，然后旋涂到以金屬為襯底通過化學氣相沉積制備得到的二維材料表面，從而獲得一種堆疊結構的復合敏感膜；將復合敏感膜裁剪成合適的尺寸，放到刻蝕液的液面上，以刻蝕復合敏感膜的金屬襯底，從而得到自支撐的復合敏感膜；將自支撐的復合敏感膜在去離子水液面上漂洗后，利用浸漬提拉法將其轉移到氣敏傳感器的測量元件表面。復合敏感膜中的二維材料層具有良好的疏水性和機械強度，保證復合敏感膜在液面上的完整性。另外，二維材料層還具有很高的表面能，可以改善復合敏感膜與壓電襯底表面的貼附性，增強毒氣敏感材料與聲表面波器件的耦合作用，從而提高傳感器對沙林毒氣及其模擬劑的響應靈敏度和響應速度。

技術領域

本發明屬于傳感技術領域，涉及聲表面波氣體傳感器制造技術，具體涉及用于檢測沙林毒氣及其模擬劑的一種復合敏感膜及制備方法、氣體傳感器及制備方法。

背景技術

沙林(甲氟膦酸異丙酯)是一種典型的神經性毒劑，它無色無味，通過過度刺激肌肉和重要器官，影響神經系統，從而產生致命效果。沙林可以通過呼吸道或皮膚黏膜侵入人體，殺傷力極強。由于沙林的高危險性，實驗室通常采用沙林的模擬劑——甲基膦酸二甲酯(DMMP)來測試沙林傳感器的性能。

聲表面波器件是一種由壓電晶體和在該晶體拋光面上制備的金屬叉指換能器所組成的固態電子器件。當高頻電信號被施加在金屬叉指換能器電極兩端時，壓電晶體的表面會通過逆壓電效應產生機械振動，同時激發出與電信號頻率相同且延晶體表面傳播的一種彈性波，即聲表面波。聲表面波的頻率和能量會隨環境變化而發生漂移。基于這種特性，在聲表面波傳輸方向上的晶體表面涂一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，可制作成聲表面波氣體傳感器。這種傳感器的工作原理是利用敏感膜吸附氣體，引起膜層的材料性質(質量、粘彈性、導電性等)發生變化，從而引起器件的振蕩頻率和插入損耗的改變，最終實現氣體檢測功能。

將六氟異丙醇苯胺基功能化的敏感材料集成到聲表面波器件上，其吸附DMMP氣體后引起的質量、粘彈性、導電性等參量的變化，都能引起器件的振蕩頻率和插入損耗的改變，因此這種類型的器件對DMMP的響應比電阻型傳感器更高。然而，要制造出具有高靈敏度、快響應、低檢測限的聲表面波氣體傳感器，氣敏薄膜的制備方法特別關鍵。

目前聲表面波氣體傳感器中敏感膜的制備方法主要是將敏感材料溶解于溶劑中，然后通過滴涂、噴涂等方法制備到壓電晶體表面。當溶劑揮發后，敏感材料在晶體表面固化形成一層薄膜。然而，這些方法不能精確控制敏感膜的面積和形狀，而且溶劑揮發時敏感材料會傾向于聚集在薄膜邊緣，產生“咖啡環效應”，導致薄膜固化后邊緣很厚，整體均勻性差，最終導致敏感膜與聲表面波器件的耦合作用弱，氣敏性能下降。

發明內容

針對現有敏感膜制備方法中存在的問題，本發明提供一種復合敏感膜及制備方法、氣體傳感器及制備方法，該方法能夠精確控制六氟異丙醇苯胺基功能化的敏感材料在氣體傳感器的測量元件上形成敏感膜的面積和形狀，提高薄膜整體的均勻性并改善敏感材料與測量元件的耦合作用，增強傳感器氣敏性能。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種復合敏感膜，包括二維材料層，以及負載在其上的六氟異丙醇苯胺基功能化的毒氣敏感材料層。

優選的，所述毒氣敏感材料層的材料為六氟異丙醇苯胺基功能化的碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯或碳納米球。

優選的，所述二維材料為利用化學氣相沉積方法在金屬襯底上制備的多層六方氮化硼或石墨烯。

優選的，所述二維材料層的厚度為5-15nm；毒氣敏感材料層的厚度為200-1000nm。

一種復合敏感膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、制備毒氣敏感材料分散液，敏感材料與溶劑的摩爾比為1：50。