新型气体传感器及阵列.ppt

第七章新型气体传感器及阵列 7 1概述7 2新型气体传感器 目录 7 1概述 7 1 1气体传感器及气体检测方法7 1 2气体传感器的分类 7 1 1气体传感器及气体检测方法 a 概念b 气体传感器必须满足的条件c 当前使用的主要气体检测方法 a 气体传感器定义 气体传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件 b 气体传感器必须满足下列条件 1 能够检测爆炸气体的允许浓度 有害气体的允许浓度相其它基准设定浓度 并能及时结出报警 显示和控制信号 2 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 3 性能长期稳定性好 4 响应迅速 重复性好 5 维护方便 价格便宜 等 c 各种检测方法的选择问题 一般情况下 要检测的气体种类是已知的 因此 检测方法的选择范围自然就缩小了 另外 传感器使用场所以现场和密闭环境为主 只是在选择标准方面有些不同 7 1 2气体传感器的分类 气体传感器从结构上区别可分为两大类 1 干式气体传感器 2 湿式气体传感器凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器 凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿式气体传感器 气敏元件 干式 湿式 接触燃烧式 固体电介质式 zro2 红外线吸收式 导热率变化式 热线 热敏电阻 以固定电位电解式为代表 极谱式 原电池式 7 2新型气体传感器 7 2 1聚苯胺复合薄膜气体传感器的制备及特性研究7 2 2有机薄膜晶体管气体传感器的制备及特性研究7 2 3质量敏感型有毒有害气体传感器及阵列研究7 2 4mems气体传感器 7 2 1聚苯胺复合薄膜气体传感器的制备及特性研究 谢光忠 主要内容 第一章相关背景简介及课题研究内容第二章器件结构选择及气敏测试系统组建第三章pani及pani tio2敏感薄膜的制备 表征及气敏特性的研究第四章pani sno2和pani sno2 ttab薄膜的制备 表征及气敏特性的研究 1 1课题的来源及意义 课题的来源本课题来源于国家杰出青年科学基金 传感技术及其系统 60425101 项目 课题的意义进行环境监测保证人们的健康和生活 高分子电阻式气体传感器浓差电池式气体传感器声表面波式气体传感器石英谐振子式气体传感器 1 2气体传感器的研究现状 1 3本课题的研究内容 薄膜表征 器件制备 气敏特性测试 nh3气敏特性 co气敏特性 sem分析 pani sno2 pani tio2 质子酸掺杂剂 表面活性剂 不同聚合温度 理论研究 查阅文献 材料选择 器件设计 结果分析 实验内容 pani及pani tio2 主要内容 第一章相关背景简介及论文主要工作第二章器件结构选择及气敏测试系统组建第三章pani及pani tio2敏感薄膜的制备 表征及气敏特性的研究第四章pani sno2和pani sno2 ttab薄膜的制备 表征及气敏特性的研究第五章实验结论与工作展望 气体传感器的信号检出元件有两大类 1 电学器件平面叉指电极 ide 场效应管 mosfet 2 声学器件声表面波器件 saw 2 1器件结构设计 2 1器件结构设计 平面叉指电极结构 2 2气敏测试系统的组建 2 3气体传感器的主要特性参数 1 器件电阻r0和rs 2 相对灵敏度s 3 响应时间t1及恢复时间t2 4 重复性及稳定性 5 选择性 主要内容 第一章相关背景简介及论文主要工作第二章器件结构选择及气敏测试系统组建第三章pani及pani tio2敏感薄膜的制备 表征及气敏特性的研究第四章pani sno2和pani sno2 ttab薄膜的制备 表征及气敏特性的研究第五章实验结论与工作展望 1 基片预处理 2 薄膜的制备 3 1pani tio2和pani敏感薄膜的制备 pss溶液 1 的pdda水溶液 平面叉指电极 3 2pani tio2和pani敏感薄膜的表征 pani tio2和pani敏感薄膜的sem分析 3 2pani tio2和pani敏感薄膜的表征 pani tio2复合薄膜和pani薄膜紫外 可见光谱分析 掺杂态聚苯胺一般有三个特征峰 跃迁 极子带 跃迁 极子带跃迁 3 2pani tio2和pani敏感薄膜的表征 pani tio2复合薄膜和pani薄膜红外光谱分析 pani tio2复合薄膜 pani薄膜 与纯pani相比 pani tio2纳米复合材料的红外光谱略向低波数移动 3 3pani tio2和pani敏感薄膜气敏特性研究 pani tio2复合薄膜和pani薄膜传感器对nh3响应 恢复特性 pani tio2复合薄膜传感器 pani薄膜传感器 3 3pani tio2和pani敏感薄膜气敏特性研究 pani tio2复合薄膜和pani薄膜传感器对不同浓度nh3的灵敏度比较pani tio2复合薄膜和pani薄膜传感器对不同浓度nh3气体的响应时间 t1 及恢复时间 t2 pani tio2复合薄膜和pani薄膜传感器对nh3重复性 3 3pani tio2和pani敏感薄膜气敏特性研究 pani tio2复合薄膜传感器 pani薄膜传感器 pani tio2复合薄膜传感器对不同浓度co的响应 恢复特性 a pani tio2复合薄膜和pani薄膜传感器对不同浓度co的灵敏度比较 b 3 3pani tio2和pani敏感薄膜气敏特性研究 a b pani tio2复合薄膜传感器对23ppmco重复性 a pani tio2复合薄膜传感器对nh3和co的灵敏度比较 如图 b 3 3pani tio2和pani敏感薄膜气敏特性研究 a b pani tio2复合薄膜温度特性60 下 pani tio2复合薄膜对不同浓度nh3气体的响应 恢复特性 a 室温下和60 下 pani tio2复合薄膜对不同浓度nh3气体的灵敏度比较 b 3 3pani tio2和pani敏感薄膜气敏特性研究 a b 2 pani tio2复合薄膜湿度特性室温下pani tio2复合薄膜气体传感器的湿度特性 3 3pani tio2和pani敏感薄膜气敏特性研究 灵敏度随着湿度的增加而减小 3 4hcl和ptsa掺杂pani tio2复合薄膜表征 hcl和ptsa掺杂pani tio2复合薄膜的sem分析 hcl和ptsa掺杂pani tio2复合薄膜传感器对nh3响应 恢复特性 3 5hcl和ptsa掺杂pani tio2复合膜气敏特性研究 hcl掺杂pani tio2复合薄膜传感器 ptsa掺杂pani tio2复合薄膜传感器 3 5hcl和ptsa掺杂pani tio2复合膜气敏特性研究 hcl和ptsa掺杂pani tio2复合薄膜传感器对不同浓度nh3的敏感特性hcl和ptsa掺杂pani tio2复合薄膜传感器对不同浓度nh3气体的响应时间 t1 及恢复时间 t2 hcl和ptsa掺杂pani tio2复合薄膜传感器对nh3重复性 3 5hcl和ptsa掺杂pani tio2复合膜气敏特性研究 hcl掺杂pani tio2复合薄膜传感器 ptsa掺杂pani tio2复合薄膜传感器 hcl和ptsa掺杂pani tio2复合薄膜传感器对nh3稳定性 3 5hcl和ptsa掺杂pani tio2复合膜气敏特性研究 3 6不同聚合温度pani tio2复合薄膜表征 不同聚合温度下hcl掺杂pani tio2复合薄膜的sem分析 3 7不同聚合温度pani tio2复合膜气敏特性研究 不同聚合温度下pani tio2复合薄膜传感器对nh3响应 恢复特性 0 10 20 3 7不同聚合温度pani tio2复合膜气敏特性研究 不同聚合温度下pani tio2复合薄膜传感器对不同浓度nh3的灵敏度比较不同聚合温度下pani tio2复合薄膜传感器对不同浓度nh3的响应时间 t1 及恢复时间 t2 10 下pani tio2复合薄膜传感器对nh3重复性 a 10 和25 下pani tio2复合薄膜传感器对nh3的稳定性 b 3 7不同聚合温度pani tio2复合膜气敏特性研究 a b 主要内容 第一章相关背景简介及论文主要工作第二章器件结构选择及气敏测试系统组建第三章pani及pani tio2敏感薄膜的制备 表征及气敏特性的研究第四章pani sno2和pani sno2 ttab薄膜的制备 表征及气敏特性的研究第五章实验结论与工作展望 pani sno2和pani sno2 ttab复合薄膜的sem分析 4 1pani sno2和pani sno2 ttab复合薄膜的表征 pani sno2和pani sno2 ttab复合薄膜的紫外 可见光谱分析 4 1pani sno2和pani sno2 ttab复合膜的表征 pani sno2和pani sno2 ttab复合薄膜气体传感器对nh3响应 恢复特性 4 2pani sno2和pani sno2 ttab复合膜气敏特性研究 pani sno2复合薄膜传感器 pani sno2 ttab复合薄膜传感器 4 2pani sno2和pani sno2 ttab复合膜气敏特性研究 pani sno2和pani sno2 ttab复合薄膜气体传感器对不同浓度nh3的灵敏度比较pani sno2和pani sno2 ttab复合薄膜传感器对不同浓度nh3的响应时间 t1 及恢复时间 t2 pani sno2和pani sno2 ttab复合薄膜传感器对23ppmco的响应 恢复特性 4 2pani sno2和pani sno2 ttab复合膜气敏特性研究 pani sno2复合薄膜传感器 pani sno2 ttab复合薄膜传感器 通过对所制备的薄膜表征分析 获得了具有纳米结构的薄膜 薄膜表面均匀平整室温条件下pani tio2传感器对nh3的灵敏度 响应恢复时间以及重复性 均优于pani传感器的测试值质子酸掺杂剂和聚合温度对pani tio2薄膜传感器气敏氨敏特性有一定的影响表面活性剂对pani复合薄膜也有一定的影响 实验结论 7 2 2有机薄膜晶体管气体传感器的制备及特性研究 谢光忠 主要内容 研究意义otft制备及原理otft电学特性研究及优化otft传感器气敏特性测试结论与展望 研究意义 选题依据研究现状创新点 选题依据 阵列式传感器 集成化 微型化 气敏材料种类多 人工神经网络 定性定量分析 otft气体传感器 多参数传感器体导电率 二维场致电导率 vt fet灵敏度可调vgss高电阻检测电流变化柔性全有机otft 并五苯otft阵列 研究现状 1987年h laursotft气体传感器概念 l torsi2000年一定进展 polydpototft 30ppm乙醇 polydpot tft 700ppm正己醇 并五苯otft 湿度 cupc tft 正戊醇 创新点国外 逐步探索阶段国内 研究较少中科院刘云圻 otft制备及原理 原理 积累模式 耗尽模式 平衡态 p沟道增强型otft 空穴sdids 漂移 跃迁 遂穿 器件制备结构 基本结构 底栅底接触结构 适合作气体传感器 器件参数 l 10 mw 2mm w l 200 工艺流程 n型si衬底al ti au电极sio2200nm 400nm 有源层制备p3ht薄膜氯仿作溶剂 浓度为0 05 0 2 w w 超声约5分钟 旋涂40秒 2500rpm 并五苯薄膜真空热蒸发法真空度2 10 3pa 并五苯 p3ht otft电学特性研究 测试平台 vgs固定输出特性曲线vds固定转移特性曲线 气敏测试 动态配气装置q vds vgs ids ids time vgs 0 vds 0 s 接地 i v特性p3ht tft 栅压调制微弱sio2400200nm 200nmvgs改变横轴偏移 原因 表面残留电荷或边缘电荷过多 办法 氩或nh3等离子轰击表面处理 输出特性曲线 转移特性曲线 线性区vds vgs vth 饱和区vds vgs vth fet 7 6 10 4cm2 vsvth 15v no2气敏测试的基点 并五苯 p3ht 驱动电压较小 漏电流 0 未再提纯 杂质能级导电 nh3和有机蒸气测试基点 ids较大 a量级 开关比小 有源层表征分析p3htuv vis分析 特征峰溶液450nm旋涂520nm 引用 544nm红移94nm 谱带变宽 原因 固态薄膜中噻吩骨干共面性增加 afm分析 xrd分析 平均粗糙度ra 0 6761nm均方根粗糙度rms 1 271nm高低起伏p v 12 35nm粒径 220nm 非晶态 原因 旋涂溶剂蒸发过快链的随机排列差的分子有序性 并五苯uv vis 特征吸收峰541 580 627 663nm吸收率不同 薄膜厚度不同 afm 粒径200nm平整 均匀 高度有序 连续性好 有序度高 fet较高 ra 11 27nmrms 13 86nm xrd 引用 2 6 2 001 晶面d 14 5 2 5 7d 15 8 多晶形貌较好的结晶取向 晶粒尺寸较大 结晶度高 fet较高 otft气敏特性测试 p3ht tft传感器气敏特性研究1 no2气体2 nh3气体3 有机蒸气 p3ht tft对no2的响应 80ppmno2 引用p3ht tft waterandmilk vds 15v vgs 5v 相对响应s 敏感机理 no2氧化性气体掺杂效应表面电荷去俘获 陷阱中和 ids增大 栅压调制曲线灵敏度曲线 vgs 5v 相关系数r 0 97908 vgs电流响应强度灵敏度 80ppm p3ht tft对nh3的响应 重复性响应 23 16 不同浓度nh3电流响应灵敏度曲线 相关系数r 0 89603 敏感机理 还原性气体吸附包裹在晶粒表面产生势垒 ids减小 75ppm40 100ppm55 p3ht tft对有机蒸气的响应 甲醇乙醇 0 33mmol l smax 39 正丁醇 0 292mmol l 并五苯otft传感器气敏特性研究乙醇0 342mmol l 甲醇co so2 不敏感 结论与展望 结论p3ht tft对no2具有较高的灵敏度对nh3具有较好的响应恢复特性重复性 可逆性对醇类蒸气具有一定的敏感特性并五苯otft对乙醇蒸气响应较好 展望器件的稳定性较差有机半导体中载流子的传输理论尚不完善 分析模型都有局限性各种气体与otft有源层作用的详细机制还不十分清楚 7 2 3质量敏感型有毒有害气体传感器及阵列研究 谢光忠 主要内容 一 概述及研究意义 二 质量敏感型传感器工作原理及仿真 三 传感器单元的制备与气敏测试 四 传感器阵列及气体定性定量识别 五 结论与展望 一 概述及研究意义 1 1有毒有害气体检测的必要性 可燃气体 有毒气体 甲烷 voc 平顶山新华四矿特大瓦斯爆炸事故 致76人死亡 2人重伤 4人轻伤 9人轻微伤 对有毒有害气体的检测势在必行 气体传感器是有毒有害气体的检测的关键部分 美国能源部 epa总署和加州大学曾进行环境污染的生命风险评价 对导致早卒各种环境因素作了评价 评价数据是voc引起生命风险率为0 1 二手烟0 1 自来水污染0 001 即voc污染引起生命风险与二手烟相等 比自来水污染生命风险大100倍 1 2现有气体传感器的发展情况 半导体气体传感器接触燃烧式气体传感器电化学式气体传感器红外吸收型气体传感器气相色谱仪声波气体传感器 qcm saw 国际理论化学与应用化学学会 iupac 分析化学委员将它们归类于质量敏感型传感器 saw 1 3质量敏感型传感器的优点 体积小携带方便灵敏度高抗干扰能力强智能程度高可远距离探测 saw 1 4质量敏感型气体传感器的发展 1 5质量敏感型气体传感器的现状 国内 山东大学电子科技大学大连理工大学浙江大学北京防化研究院北京防化指挥工程学院 国外 德国的hkrsensorsystem rstrostoch 法国的alphamos 瑞士的appliedsensor 英国的marconiappliedtechnologies美国的海军实验室 nrl 1 6本论文的选题依据和研究思路 敏感材料缺乏 2 1 机理不完善 3 选择性较差 传感器制备的理论指导 传感器性能提高 阵列结合模式识别 传感器建模仿真 基于新型敏感材料的合成 传感器阵列 气体传感器亟待解决的技术难题 课题来源 863 本论文的研究思路 二 质量敏感型传感器工作原理及仿真 qcmsaw 2 1工作原理 sauerbrey公式 当只考虑质量效应时 当器件涂覆敏感膜时 由敏感膜质量引起的频率变化 fs和气体吸附在敏感膜上引起的频率变化 fv之间的关系为 2 2表面敏感膜对气体分子的吸附 结论 如果已知敏感膜与气体分子相互作用的分配系数k 气体在气相中的质量浓度cv 敏感膜的密度 s以及涂膜前后的频率变化 fs可以预测质量敏感型气体传感器的气敏响应 fv 反之可检测气体浓度 分配系数k可以线性溶剂能量关系表示 各种不同气体的溶剂化参数 常见聚合物敏感材料的lser参数 2 3saw甲烷气体传感器的仿真 问题描述 用comsolmultiphysics仿真基于pib敏感膜的saw气体传感器镀膜前后 以及吸附一定量的甲烷后对saw器件的性能影响 假设和简化 平面应变假设基体深度的缩短周期性结构的简化 仿真过程 结果与讨论 沿着压电基底表面传播时的saw 结论 声波能量集中在约一个波长深的表面层内 对表面扰动的灵敏度高 不同膜厚pib吸附不同浓度甲烷后saw谐振频率的大小 逐渐降低 逐渐降低 膜厚与频率变化 灵敏度之间的关系图 结论 随着敏感薄膜厚度的增加 灵敏度逐渐增加 但增加的幅度逐渐减小 所以太厚的敏感薄膜对传感器灵敏度的提高并没有太大的作用 此外膜厚的时候气体分子与敏感膜发生吸附由于涉及膜内部的分子扩散 在吸附和解吸附时都需要较长的时间 过厚的薄膜还容易导致谐振器停振 三 传感器单元的制备与气敏测试 3 1基于聚炔类敏感材料传感器单元的制备及气敏特性3 2基于超分子穴番 a传感器单元的制备及气敏特性3 3有机无机复合敏感材料传感器单元的制备及气敏特性3 4气体传感器响应动力学研究 3 1基于聚炔类敏感材料传感器单元的制备及气敏特性 优点 聚炔具有 共轭结构的电子特征 可进行化学 电化学掺杂而显示导电性 潜在的具有作为化学传感器敏感材料的诱人前景存在的问题 溶解性欠佳 难以加工 掺杂解决方案 1 嵌入含苯基的键段 使僵硬的聚乙炔链在一定程度上 软化 2 合成叁键主链的pt或pd的可溶性缩聚物 含苯基聚炔的合成方法 sonogashira耦合反应由pd cu混合催化剂催化末端炔烃与sp2型碳的卤化物发生交叉偶联反应stelle耦合反应在pd催化剂的作用下金属炔化合物与sp2型碳的卤化物发生反应 3 1 1聚 2 5 二甲氧基乙炔苯 pdmeb 的合成及气敏特性 stelle耦合反应 基于pdmeb的传感器的制备 旋涂法 注意 qcm谐振器需两面都要涂膜 而saw谐振器只需一面 涂pdmeb膜前后saw谐振器的幅频特性 涂膜前后频率变化300khz 差损变化5 2198db 室温下pdmeb对甲烷的气敏特性 基于pdmeb的气体传感器对甲烷具有较好的敏感特性 响应较快 恢复较为完全 可逆性较好 室温下pdmeb对voc气敏特性 对氯仿 丙酮和四氢呋喃没有气敏特性 而仅对醇类有响应 气敏机理 孔洞吸附 红外光谱证明 pdmeb薄膜与ch4发生了一定的相互作用 3 1 2聚 2三乙烷化磷 铂 二乙炔苯 pt deb的合成及气敏特性 sonogashira耦合反应 红外光谱表征 在2094cm 1处出现了较强的吸收峰 这是c c的伸缩振动 光电子能谱 xps 表征 研究其化学结构 可见73 50ev和76 86ev位置分别出现了pt4f5 2和pt4f7 2谱图峰结构 证实了该聚合物中稀有金属pt元素的存在 旋涂pt deb膜前后saw谐振器的幅频特性 涂膜前后频率变化300khz 差损变化3 015db 室温下pt deb对甲烷的气敏特性 结论 pt deb薄膜气体传感器对甲烷气体的气敏特性较差 室温下pt deb对voc的气敏特性 对于三氯甲烷的探测极限可达1 87ppm 基于pt deb的气体传感器则对各种测试的voc都表现出很好的气敏特性 气敏机理 pt deb对可溶性溶剂的溶胀现象 synthesisandsensitivepropertiesofpoly bistriethylphosphine platinum diethynylbenzenefororganicvapordetection journalofappliedpolymerscience 116 2010 562 567 3 2基于超分子穴番 a传感器单元的制备及气敏特性 超分子材料作为主体分子和与之匹配的客体分子形成类似于 锁与钥匙 系统 不仅灵敏度高 而且选择性好 穴番结构 具有空腔可调节 构象易变化 易化学修饰等特点 可通过对客体形成包封来识别客体分子 穴番合成方法 常见有三种方法 i 模板法 ii 两步法 iii 盖帽法 穴番 a的合成 二次三聚反应 穴番 a敏感薄膜的制备 喷涂 穴番 a喷涂前后saw谐振器的特性 喷涂穴番 a造成中心频率下降450khz 其差损变化5 695db 室温下穴番 a对甲烷的气敏特性 对甲烷有很好的气敏特性 稳定性 重复性好 气敏响应并未呈线性关系在低浓度时传感器的灵敏度达到162hz 1000ppm 气敏机理 分子力学模拟显示 甲烷分子进入cryptophane a的空腔 碳原子位于空腔的中心位置 与ctv芳香环的平均距离是4 5埃 也就是说比范德华半径之和大20 这个距离与在范德华引力范围内最大的吸引力接近一致 所以二者能形成稳定的络合物 aroomtemperaturesupramolecularbasedquartzcrystalmicrobalance qcm methanegassensor sensorsandactuatorsb141 2009 104 108 3 3有机无机复合敏感材料传感器单元的制备及气敏特性 材料制备方法 原位聚合和自组装 薄膜表面形貌表征 pdmeb sno2 pdmeb in2o3 静电自组装碳纳米管复合薄膜的表面形貌 室温下对甲烷的气敏特性 pdmeb sno2复合薄膜对ch4气体的灵敏度最高 pdmeb in2o3复合薄膜传感器灵敏度介于其余两者之间 对voc的气敏特性 实验结果发现它们对对氯仿和丙酮都没有气敏特性 pdmeb sno2对醇类有较好的气敏特性 而pdmeb in2o3则对四氢呋喃有较好的气敏特性 可见适当的加入无机纳米粒子后的有机无机聚合物材料不仅可能使气敏特性改善 还有可能使对气体的选择性改变 fabricationandgassensitivityofpoly 2 5 dimethoxyethynylbenzene sno2nanocomposite proc spie vol 7284 728410 cnt对voc的气敏特性 不同溶剂分散的基于cnt的qcm传感器对该溶剂的呈现出良好的气敏特性 溶剂化效应尤为明显 layer by layerassemblycarbonnanotubesthinfilmbasedgassensorsforammoniadetection scichinaserf infsci accepted 3 4气体传感器响应动力学研究 气体传感器对气体的实时响应通常可以看做为一阶时间响应 气体吸附和脱附动力学理论基础 langmuir吸附结合sauerbrey方程 脱附动力学 传感器对甲烷气体响应动力学分析 基于pdmeb的气体传感器对不同浓度甲烷的响应拟合1000ppm2000ppm 吸附达到平衡时传感器的频移量分别为7 3446hz和14 306hz 对于2000ppm甲烷的吸附速率常数0 2151远大于1000ppm的吸附速率常数0 0138 可见浓度越大 吸附越快越容易 基于pdmeb有机无机复合薄膜的qcm气体传感器对1000ppm甲烷的响应拟合 基于pdmeb sno2敏感膜对甲烷的吸附达到平衡时传感器的频移量最大 达到37 58795hz 而基于pdmeb in2o3敏感膜对甲烷吸附达到平衡时的频移量为28 189hz 也远高于纯聚合物材料pdmeb对1000ppm甲烷吸附的频移量7 3446hz 可见sno2和in2o3无机纳米粒子的加入提高了对甲烷的响应值 pdmeb in2o3 pdmeb sno2 四 传感器阵列及气体定性定量识别 saw气体传感器阵列优点 灵敏度高可采用集成电路中的平面工艺制作体积小 易于集成化 智能化便于低成本和大批量的生产传感器阵列 阵列所选择的传感器应满足以下几个要求 气敏传感器应有较高的灵敏度单个气敏传感器的选择性不要求很高传感器的稳定性十分重要响应 恢复速度快 用pt deb pdmeb以及pdmeb sno2建立saw气体传感器阵列 用以定性定量分析有毒气体voc 甲醇 乙醇和异丙醇 建立基于差动原理的saw传感器阵列 基于saw气体传感器阵列测试系统 传感器阵列数据处理过程 信息获取 saw传感器阵列对乙醇蒸汽的实时响应图 数据预处理 气体浓度预处理 归一化传感器信息预处理 特征提取 为了全面的获得气体传感器原始动态的响应特性 采取动态信息与静态信息相结合的参数选取方法 利用传感器对不同气体不但最后响应值大小不一样 而且其响应速度也不一样 提取特定气体浓度下传感器在响应时间为t63 2时的响应值和t90时的响应值来表征传感器的响应速度 从传感器响应的数据曲线中提取最大值 max 来反应传感器的灵敏度 采用bp ann进行分类决策 定性识别甲 乙 丙醇 输出层含3个神经元 每个神经元代表一种voc 1 0 0 代表甲醇 0 1 0 代表乙醇 0 0 1 代表异丙醇 传感器阵列对于甲醇 乙醇和异丙醇的定性判别完全正确 定量分析甲 乙 丙醇 输出层含3个神经元 每个神经元预测一种voc的浓度 例如 第1个输出神经元预测甲醇的浓度 对应50 svc甲醇的测量 其目标值设定为 0 5 0 0 t 最大识别误差和平均识别误差为 max 47 13 ave 21 99 误差较大 主要是甲 乙 丙醇的本身物理化学性质都较相近 对于传感器的响应实时曲线也类似 此外传感器的个数和数据也有待进一步的增加 五 创新点 结论与展望 提出了将敏感材料pdmeb和pt deb成膜在质量敏感型器件上建立传感器单元 室温下实现对可燃性气体甲烷和有毒性气体voc的检测 提出了将无机纳米材料与聚炔材料pdmeb制备有机无机纳米复合材料 实现对甲烷吸附和脱附速度的提高 并通过实验和动力学理论得到验证 率先将超分子材料穴番 a应用于质量敏感型气体传感器 并通过实验验证超分子材料与待测分子形成的 锁 钥 系统 为提高气体传感器选择性开辟了一个方向 结论 一 通过对质量敏感型声表面波气体传感器的模拟仿真 发现随着敏感薄膜厚度的增加 膜厚引起的频率变化越大 且膜厚引起的频率变化与膜厚成正比 符合sauerbrey公式 二 基于pdmeb的传感器单元在室温下对甲烷有较好的气敏特性 灵敏度为9 5hz 1000ppm 突破了室温下检测甲烷的难点 三 基于pt deb的传感器单元则对有毒气体voc显现出很好的气敏特性 基频稳定性好 重复性好 气敏响应线性化 且pt deb对voc的探测极限可达1ppm 四 基于pdmeb sno2的传感器单元和基于pdmeb in2o3的传感器单元室温下以氮气为载气时对甲烷的灵敏度分别为32hz 1000ppm和24hz 1000ppm 对1000ppm甲烷的吸附速率常数相等 均为0 0145 结论 五 穴番 a作为主体分子和与之匹配的客体分子甲烷形成类似于 锁与钥匙 系统 基于穴番 a的气体传感器对甲烷不仅灵敏度高 而且选择性好 六 完全准确的实现对一定浓度范围内对有毒有害气体甲 乙 丙醇以及甲烷和氢气的定性识别 对甲 乙 丙醇的定量识别 平均误差为21 99 而对甲烷和氢气的定量识别 平均误差为0 079 展望 需要自行设计和加工声表面波传感器阵列 使其与探测电路结合实现传感器阵列的微型化 同时 对电路进行优化 研究高增益 低噪声的saw驱动电路 继续研究气体敏感材料的制备 并优化薄膜制备工艺 使其能够在常温下实现对特性气体的较好的选择性和较高的灵敏度 继续探究气体敏感材料对待测气体的敏感机理 研究不同敏感膜对特定气体响应特性的提取方法 优化人工神经网络算法 建立收敛快 容错性强 自适应能力强 精度高的模式识别方法 研究模式识别的硬件化 使传感