[發明專利]一種改善金屬鹽中毒效應的MEMS硫化氫傳感器及制備方法

有效

• 申請號: 202210495837.2
• 申請日: 2022-05-09
• 公開（公告）號: CN114577864B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 太金水;羅定路
• 申請（專利權）人: 成都晟鐸傳感技術有限公司
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 聶紅霞

本發明公開了一種改善金屬鹽中毒效應的MEMS硫化氫傳感器及制備方法，涉及基于有機/無機復合納米材料的硫化氫傳感器技術領域，以解決現有抗中毒型硫化氫氣體傳感器的制備存在高耗能或合成工藝復雜的技術問題。傳感器包括襯底、叉指電極以及附著于叉指電極表面的酸性聚合物/金屬鹽復合敏感膜。本發明的復合敏感膜內含的氫離子一方面與金屬離子形成競爭摻雜影響敏感材料的導電能力，即在硫化氫氛圍中金屬離子脫摻雜與氫離子替補摻雜共同促進敏感膜自身的導電性，導致傳感器電阻下降；另一方面在傳感器恢復過程中提供酸性環境以在空氣環境下促進金屬硫化物在空氣中重新轉化成金屬鹽，使傳感器恢復初始狀態。

技術領域

本發明涉及電阻型薄膜MEMS氣體傳感器領域，更具體的是涉及基于有機/無機復合納米材料的硫化氫傳感器技術領域。

背景技術

硫化氫是一種劇毒環境污染物，其來源廣泛、易于富集的特點使其在密閉環境（如下水道、礦場、地下室、鍋爐房中）中的檢測十分重要。此外硫化氫在體內主要由呼吸與消化系統中的細菌代謝蛋白質等含硫有機物產生，因此也被視作口臭等疾病的一種特征標志物。考慮到上述密閉環境中還存在大量高濃度可燃氣體，不宜使用需要工作在高溫環境下的傳感器，因此開發具有高靈敏、快響應、低檢測下限的室溫硫化氫氣體傳感器具有十分廣闊的應用前景。

微機電系統(Microelectromechanical Systems, MEMS)制造工藝是下至納米尺度，上至毫米尺度微結構加工工藝的通稱。MEMS傳感器工藝相對于傳統的傳感器制備方法具有小型、集成、可大批量生產的優勢。目前報道較多的基于MEMS的室溫硫化氫氣體傳感器主要基于過渡金屬氧化物半導體材料或者過渡金屬鹽材料，因其可以與硫化氫反應形成導電性良好的金屬硫化物，從而顯著降低傳感器的電阻值。然而，大部分金屬硫化物在室溫條件下性能穩定、不易氧化，因此傳感器的電阻難以恢復。這種現象被稱為傳感器的中毒效應，在硫化氫傳感器中時常報道。因此，如何改善這類傳感器的潛在中毒問題對進一步開展傳感器的應用研究十分關鍵。

針對抗中毒型硫化氫氣體傳感器的研究，近年來報道主要集中于加熱輔助傳感器恢復、形成p-n異質結以及紫外光激勵恢復等手段。然而這些方法存在高耗能或合成工藝復雜等不足，限制了這類傳感器的進一步發展。

發明內容

本發明的目的在于：為了解決上述抗中毒型硫化氫氣體傳感器的制備存在高耗能或合成工藝復雜的技術問題，本發明提供一種改善金屬鹽中毒效應的MEMS硫化氫傳感器及制備方法。

本發明為了實現上述目的具體采用以下技術方案：一種改善金屬鹽中毒效應的MEMS硫化氫傳感器，包括襯底和叉指電極，還包括附著于叉指電極表面的酸性聚合物/金屬鹽復合敏感膜，復合敏感膜內含的氫離子一方面與金屬離子形成競爭摻雜影響敏感材料的導電能力，即在硫化氫氛圍中金屬離子脫摻雜與氫離子替補摻雜共同促進敏感膜自身的導電性，導致傳感器電阻下降；另一方面在傳感器恢復過程中提供酸性環境以在空氣環境下促進金屬硫化物在空氣中重新轉化成金屬鹽，使傳感器恢復初始狀態。

本申請的技術方案中，由于金屬硫化物在含氧酸性條件下可以重新轉化成鹽，通過將金屬鹽作為摻雜劑加入酸性聚合物中，不僅可以改善金屬鹽基硫化氫傳感器因中毒無法恢復的問題，還可以通過影響金屬離子/氫離子摻雜程度來進一步提升酸性聚合物/金屬鹽復合敏感膜的響應。

本申請硫化氫傳感器的氣敏/抗中毒機理為：傳感器暴露于硫化氫環境中，金屬離子會與硫化氫反應生成具有良好導電性的金屬硫化物，導致酸性聚合物/金屬鹽復合敏感膜中金屬離子脫摻雜的同時多余的氫離子會占據金屬離子脫摻雜的空位實現氫離子的替補摻雜，從而增強酸性聚合物/金屬鹽復合敏感膜自身的導電性并進一步提升了傳感器的響應。當傳感器重新暴露于空氣環境中，金屬硫化物在酸性含氧環境下重新轉化成對應的金屬鹽，這個過程中會消耗大量的氫離子，導致酸性聚合物/金屬鹽復合敏感膜中先前替補摻雜的氫離子脫摻雜、金屬離子重新占據脫摻雜形成的空位，回到初始狀態。