[发明专利]一种利用水吸收甲醛的声表面波甲醛气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种声表面波甲醛气体传感器。

背景技术

甲醛易溶于水，这个特性被广泛应用于甲醛气体检测领域，包括国家标准《公共场所空气中甲醛测定方法》GB/T18204.26-2000和一些现场快速检测设备。Kawamura等人以AHMT(4-氨基-3-联氮-5-硫基-1,2,4-三氮杂茂)和氢氧化钾溶液为吸收液，将100μL的吸收液滴在一个圆形过滤器上.过滤器暴露在甲醛气体中，溶液中的水吸收甲醛气体，而后AHMT和甲醛发生反应，出现颜色变化。通过光敏二极管发射管的强度来测度颜色强度变化(参见2005年Sensors and Actuators B,105卷,495-501)。此类检测技术需要配置吸收液溶液，一定的采样时间，而且现场快速检测设备需要在每次检测完成后更换过滤器等耗材，离完全的自动化检测还有一定的距离。

声表面波器件是在压电基片上制备电极而得。利用逆压电效应和压电效应，电极激励和接受声波。声表面波气体传感器是在声表面波器件的表面沉积敏感材料，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。由于灵敏度高、自动化检测流程、不需要手工采样等优点，声表面波传感器成功应用于气体现场快速检测领域，检测对象包括神经性毒剂、糜烂性毒剂、苯系物等。

声表面波传感器虽然具有高灵敏度，但是容易受到干扰。双通道的设置可解决该问题：采用基片材料、电极图案等参数均保持一致的两只声波传输通道，其中一只涂敷有机敏感薄膜(检测通道)，另一只不涂敷(参考通道)。两只通道通过电气连接分别置于两个相同的振荡电路中，各自输出一个频率信号。传感器的响应结果由参考通道频率减去检测通道频率获得。温度等环境因素对两者的影响是相同的，因此可由频率相减消除，理想情况下，传感器的响应结果完全起决于有机敏感薄膜自身的变化。

声表面波传感器的检测原理是，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。与神经性毒剂、糜烂性毒剂、苯系物等不同，目前已报道的声表面波甲醛传感器的灵敏度不高，其原因是：甲醛的沸点低，与上述高沸点VOC物质相比，敏感材料对其的吸附量有限；甲醛分子质量小，质量增加的作用有限，若敏感材料为绝缘材料，则只有体积膨胀效应，灵敏度不高。

大连理工的孙蕾等人2005年首次将碳纳米管作为敏感材料，利用声电效应检测甲醛，检测下限是0.6mg/m³，而使用绝缘的聚合物只能检测出30mg/m³的甲醛气体(参见2005年孙蕾，用于声表面波甲醛传感器的相关系统研究，大连理工大学硕士学位论文，2005，52-69)。根据国家强制标准，甲醛在I类民用建筑接触限值是0.08mg/m³，II类民用建筑是0.1mg/m³。(参见民用建筑工程室内环境污染控制规范(2006年版)-GB50325-2001；中华人民共和国国家职业卫生标准GBZ2.1-2007工作场所有害因素职业接触限值)因此，目前声表面波甲醛传感器的性能无法满足实际需要。

空气中含有一定的水蒸气，某些聚合物材料对水蒸气具有非常好的吸收性，例如十二醇等。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足提供一种利用水吸收甲醛提高灵敏度的声表面波甲醛气体传感器结构。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：包括压电基片（1）、电极（2）、导电敏感膜（3）、绝缘敏感膜（4）和电气引线（5），电极（2）布置在压电基片（1）上，电气引线（5）连接电极（2），导电敏感膜（3）和绝缘敏感膜（4）覆盖在压电基片（1）上，可以同时覆盖在电极（2）上，也可以只覆盖在除了电极（2）的压电基片（1）上，可以完全覆盖也可以部分覆盖在压电基片（1）上。

导电敏感膜（3）、绝缘敏感膜（4）采用能够吸收空气中的水蒸气的敏感材料。

本发明的利用水吸收甲醛的声表面波甲醛气体传感器的工作原理是，由于甲醛气体在水中的溶解度比在聚合物中更大的特点，导电敏感膜（3）、绝缘敏感膜（4）选择性吸收水蒸气，水吸收甲醛气体，从而提高甲醛气体的吸附量。