一种混合有机传感膜的声表面波氨气传感器

技术领域

本发明涉及氨气检测领域，具体涉及一种混合有机传感膜的声表面波氨气传感器。

背景技术

氨气是一种存在于整个大气层中的天然气体，其在空气中的浓度较低，低至亚ppb或ppb水平。氨气是一种具有强烈刺激性臭味的无色气体，即使在低浓度的情况下，氨气也会刺激眼睛、鼻粘膜使人产生呕吐、头疼、胸痛等症状。在建筑和制造等行业常使用的添加剂中也有含有大量氨物质，这些物质释放的氨气会对人体造成一定的危害，因此，要求具有响应速度快、稳定性好、灵敏度高、检测质量高的氨气传感器受到人们的广泛关注。

现有技术中科研团队中有采用静电纺丝法制备了聚丙烯酸和聚乙烯醇复合纤维，沉积在石英晶片上，装配成复合纤维膜石英晶体微天平传感器，并用于氨气浓度检测。然而，该传感器的响应不是很明显，基本在4.7-148.7Hz，因此，现有的声表面波氨气传感器在响应强度等综合性能方面还有待进一步提高。

发明内容

本发明为了避免现有技术存在的不足之处，提供一种响应速度快，稳定性好，灵敏度非常高的混合有机传感膜的声表面波氨气传感器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种混合有机传感膜的声表面波氨气传感器，其包括声表面波谐振器、铝电极和外围振荡电路；外围振荡电路包括移相电路和放大电路；其中，移相电路用于将声波信号的相位翻转，放大电路用于放大经移相电路相位翻转后的声波信号；声表面波谐振器上设有压电基底，以及从左向右依次设置于压电基底上的反射输入叉指换能器、传感膜、输出叉指换能器和反射栅；输入叉指换能器通过铝电极连接到移相电路的输入端，移相电路输出端通过放大电铝电极连接到输出叉指换能器。

进一步地，混合有机传感膜为聚丙烯酸和聚乙烯醇溶液制成的混合有机薄膜。

进一步地，聚丙烯酸溶液浓度为0.1M。

进一步地，聚丙烯酸薄膜的沉积厚度为262.3nm。

进一步地，聚乙烯醇溶液浓度为0.01M。

进一步地，聚乙烯醇薄膜的沉积厚度为273.9nm。

进一步地，反射栅用于收集声波、降低损耗，压电基底为石英基底。

进一步地，石英基底的长宽高分别为12mm、3mm、0.5mm。

本发明的有益效果为：该混合有机传感膜的声表面波氨气传感器将易制得且成本很低的有机物聚丙烯酸和聚乙烯醇混合膜制成薄膜用于声表面波氨气传感器中的传感膜，利用聚丙烯酸中含有大量的羟基和羧基基团，使得传感膜具有易于吸附空气中的水和氨气，从而使得声表面波氨气传感器具有优良的灵敏度。其具有声表面波氨气传感器响应速度快，稳定性好，灵敏度高等优点。

附图说明

图1为混合有机传感膜的声表面波氨气传感器对于不同浓度氨气的响应频移曲线图。

图2为混合有机传感膜的声表面波氨气传感器对于不同浓度的响应和恢复时间图。

图3为混合有机传感膜的声表面波氨气传感器的选择性图。

图4为混合有机传感膜的声表面波氨气传感器的短期稳定性图。

图5为混合有机传感膜的声表面波氨气传感器的长期稳定性图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见1～图5，以下结合实施例进行具体说明。

该混合有机传感膜的声表面波氨气传感器包括声表面波谐振器、铝电极和外围振荡电路，外围振荡电路包括移相电路和放大电路。

其中，移相电路用于将声波信号的相位翻转，放大电路用于放大经移相电路相位翻转后的声波信号。

该混合有机传感膜的声表面波氨气传感器的声表面波谐振器上设有压电基底，以及从左向右依次设置于压电基底上的反射输入叉指换能器、传感膜、输出叉指换能器和反射栅。

其中，输入叉指换能器通过铝电极连接到移相电路的输入端，移相电路输出端通过放大电铝电极连接到输出叉指换能器。换能器电极的交替极性能够使压电基底压缩伸展，产生声波信号。而反射栅用于收集声波、降低损耗，压电基底为石英基底。

声表面波谐振器通过叉指换能器输入端和输出端经铝电极与外围振荡电路连接。且由于谐振器为微小器件，连接电路所用的仪器为金丝点焊机，最终制成的声表面波氨气传感器。

该混合有机传感膜的声表面波氨气传感器的混合有机传感膜为聚丙烯酸和聚乙烯醇溶液制成的混合有机薄膜。本申请设计将易制得且成本很低的有机物聚丙烯酸和聚乙烯醇混合膜制成薄膜用于声表面波氨气传感器中的传感膜。

其利用聚丙烯酸中含有大量的羟基和羧基基团，使得传感膜具有易于吸附空气中的水和氨气，从而使得声表面波氨气传感器具有优良的灵敏度。

根据本申请的一种实施方式，该混合传感膜的声表面波氨气传感器，以ST-cut(42o75’)石英为基底材料；输入、输出叉指换能器各设置30条，每条手指宽度为4μm，孔径为3mm，每条叉指换能器间距相等。

左右两边反射栅各设置100条，每条反射栅的宽度和间距相等，传感膜长宽高分别为4mm、3mm、0.5mm。构成的声表面波谐振器的谐振频率为200MHz。使用0.1M的聚丙烯酸溶液和0.01M的聚乙烯醇，通过旋涂的方式涂覆在ST-cut石英压电基底上。

作为进一步的实施方式，进而限定的技术参数为：聚丙烯酸溶液浓度为0.1M，聚丙烯酸薄膜的沉积厚度为262.3nm，聚乙烯醇溶液浓度为0.01M，聚乙烯醇薄膜的沉积厚度为273.9nm。而石英基底的长宽高分别为12mm、3mm、0.5mm。

在实际操作中，根据本实施方式，在ST-cut石英压电基底上，实施情况如下：

聚丙烯酸和聚乙烯醇混合传感膜声表面波氨气传感器对氨气的频移响应很强，当氨气浓度为20ppm的时候，响应的频移为28600Hz。

稳定性：

将传感器在80天里定期测试了聚丙烯酸和聚乙烯醇混合有机传感膜声表面波氨气传感器在80天的时间内具有超强的稳定性，并且传感器的中心频率波动小于5％。表明聚丙烯酸和聚乙烯醇混合有机传感膜声表面波氨气传感器具有良好的长期稳定性。

此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。