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CN101034077A - 一种压电晶体气体传感器及其制备方法 - Google Patents

一种压电晶体气体传感器及其制备方法 Download PDF

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CN101034077A CN 200610022356 CN200610022356A CN101034077A CN 101034077 A CN101034077 A CN 101034077A CN 200610022356 CN200610022356 CN 200610022356 CN 200610022356 A CN200610022356 A CN 200610022356A CN 101034077 A CN101034077 A CN 101034077A
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谢光忠
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Abstract

本发明公开了一种压电晶体气体传感器，基体为石英晶片1，其特征在于，还包括设置在所述石英晶片1上的上金属电极2和下金属电极3，所述上金属电极2周围涂敷有电子聚合物层，所述上金属电极2的直径小于下金属电极3的直径，所述金属电极可以是金电极、铂电极或铝电极，所述电子聚合物是电导率高的聚合物，可以是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等材料。这种特殊化学微传感器最突出的特点是使用石英晶体微天平的电学参数来探测与晶体表面相接触气氛的浓度，而且其精确度高、灵敏度高、选择性好、响应时间短；并且制备方法简单合理，易于大规模工业化生产。

Description

一种压电晶体气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于化学微传感器技术领域，具体涉及一种特殊化学微传感器及其制作技术，这种特殊化学微传感器最突出的特点是使用石英晶体微天平的电学参数来探测与晶体表面相接触气氛的浓度。
背景技术
自从saubrey在1959年论证了晶体共振频率的变化与晶体表面的质量变化成正比与电极的面积成反比起，石英晶体微天平就获得了广泛地应用。石英晶体微天平最初被用在真空镀膜系统中来监测膜的沉积速率，后来，石英晶体微天平作为传感器被用来检测气体和液体的特性等。这类传感器的选择性和敏感性不仅取决于涂敷在电极上的功能材料而且取决于此电极的结构。湖南大学的陈金华教授等人2001年在Analytical Chimica Acta杂志上发表的题为Study of bovine serum albumin adsorption onto a silicondioxide surface using a ring-electrode piezoelectric sensor的文章和在J.Colloid Interface Sci.杂志上发表的题为Study of the frequency character ofthe ring-electrode piezoelectric sensor in liquid phase and the adsorption ofCTMAB onto a quartz surface的文章以及美国的Granstaff等人申请的专利号为5201215的美国专利都说明了电极结构的改变有利于压电晶体气体传感器灵敏度的提高从而可用来测定液体的一些特性。
经过检索发现在石英晶体的两面制作出不同直径的电极结构，并在直径较小的电极的一面涂敷有电子聚合物类的功能材料而形成的特殊化学微传感器等领域尚未有相关文献报道过。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种压电晶体气体传感器及其制备方法，这种特殊化学微传感器最突出的特点是使用石英晶体微天平的电学参数来探测与晶体表面相接触气氛的浓度，而且其精确度高、灵敏度高、选择性好、响应时间短；并且制备方法简单合理，易于大规模工业化生产。
本发明所提出的第一个技术问题是这样解决的：提供一种压电晶体气体传感器，基体为石英晶片1，其特征在于，还包括设置在所述石英晶片1上的上金属电极2和下金属电极3，所述上金属电极2周围涂敷有电子聚合物层。
按照本发明所提供的压电晶体气体传感器，其特征在于，所述上金属电极2的直径小于下金属电极3的直径，所述金属电极可以是金电极、铂电极或铝电极，所述电子聚合物是电导率高的聚合物，可以是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等材料。
本发明所提出的第二个技术问题是这样解决的：提供一种压电晶体气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，根据所要求的频率选择出具有一定直径、一定厚度的AT-切的石英晶体片1；
步骤B，设计出具有一定直径要求的上下电极，并采用照相制版工艺制作出压电晶体气体传感器电极用的掩模版；
步骤C，把石英晶体片固定在掩模版中，用物理气相沉积法(PVD)在制作出一层具有不同直径的上、下金属电极(2、3)；
步骤D，用网络分析仪检查上述步骤制作出的压电晶体片的振动频率是否满足设计时的要求，并进行调整；
步骤E，对调整好的压电晶体片在上电极的一面制作出一层电子聚合物层4；
步骤F，把上述涂敷有电子聚合物层4的压电晶体片装入引线框架中，并用导电胶把压电晶体固定好。
按照本发明所提供的压电晶体气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤E中制备电子聚合物的方法可以是滴涂法、甩胶法、LB膜法等方法中的一种。
按照本发明所制作出的压电晶体气体传感器，当它被放置在氧化、还原性气体中时，由于聚集在电子聚合物膜表面的气体通过与电子聚合物材料的相互作用而导致材料本身电导率的变化。如果电导率变大，压电晶体电极的有效面积增大，这时压电晶体共振频率的变化相对不太明显。如果电导率变小，压电晶体电极的有效面积减小，这时压电晶体共振频率的变化会相当明显。因此，一方面，本发明的压电晶体气体传感器能排除那些导致电子聚合物材料电导率变大的气体的干扰，另一方面，本发明的压电晶体气体传感器能很好的反应气体与电子聚合物材料作用时电导率变小的程度。本发明制备的传感器可以用于检测湿度、NO2、NH3等气氛。
综上所述，本发明的压电晶体气体传感器精确度高、灵敏度高、选择性好、响应时间短。
附图说明
图1是本发明所提供的压电晶体气体传感器的剖面结构示意图；
图2是压电晶体气体传感器的引线框架图；
图3是将压电晶体气体传感器装入图2所示的引线框架后的正视图。
其中，1、石英晶片，2、上金属电极，3、下金属电极，4、电子聚合物层，5、引线框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1，本发明的压电晶体气体传感器，包括石英晶片1，上金属电极2，下金属电极3，和涂敷在上金属电极上的电子聚合物层4，上金属电极2直径小于下金属电极3，其中金属电极可以是金电极、铂电极或铝电极，电子聚合物是电导率高的聚合物，可以是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等材料。
本发明所述的压电晶体气体传感器的具体制备方法如下：
步骤1，根据所要求的频率选择出具有一定直径、一定厚度的AT-切的石英晶体片1；
步骤2，设计出具有一定直径要求的上下电极，并采用照相制版工艺制作出压电晶体气体传感器电极用的掩模版；
步骤3，把石英晶体片固定在掩模版中，用物理气相沉积法(PVD)在制作出一层具有不同直径的上、下金属电极(2、3)；
步骤4，用网络分析仪检查上述步骤制作出的压电晶体的振动频率是否满足设计时的要求，并进行调整；
步骤5，对调整好的压电晶体采用滴涂法、甩胶法、或LB膜法在上电极的一面制作出一层电子聚合物层4；
步骤6，把上述涂敷有电子聚合物层4的压电晶体装入如图2所示的引线框架5中，并用导电胶把压电晶体固定好。
通过以上步骤即制作出压电晶体气体传感器成品，如图3所示。

Claims (4)

1、一种压电晶体气体传感器，基体为石英晶片(1)，其特征在于，还包括设置在所述石英晶片(1)上的上金属电极(2)和下金属电极(3)，所述上金属电极(2)周围涂敷有电子聚合物层。
2、根据权利要求1所述的压电晶体气体传感器，其特征在于，所述上金属电极(2)的直径小于下金属电极(3)的直径，所述电子聚合物是电导率高的聚合物，可以是聚苯胺或者聚吡咯或者聚噻吩等材料。
3、一种压电晶体气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，根据所要求的频率选择出具有一定直径、一定厚度的AT-切的石英晶片(1)；
步骤B，设计出具有一定直径要求的上下电极，并采用照相制版工艺制作出压电晶体气体传感器电极用的掩模版；
步骤C，把石英晶片固定在掩模版中，用物理气相沉积法制作出一层具有不同直径的上、下金属电极(2、3)；
步骤D，用网络分析仪检查上述步骤制作出的压电晶体片的振动频率是否满足设计时的要求，并进行调整；
步骤E，对调整好的压电晶体片在上电极的一面制作出一层电子聚合物层4；
步骤F，把上述涂敷有电子聚合物层(4)的压电晶体片装入引线框架中，并用导电胶把压电晶体固定好。
4、根据权利要求3所述的压电晶体气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤E中制备电子聚合物的方法可以是滴涂法、甩胶法、LB膜法等方法中的一种。
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