论文题目: 基于纳米分子筛和碳黑聚合物敏感膜的气敏传感器研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子学与固体电子学
作者: 谢海芬
导师: 黄宜平
关键词: 气敏传感器,纳米分子筛,神经类毒气,谐振式传感器,碳黑聚合物,主成份分析
文献来源: 复旦大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文“基于纳米分子筛和碳黑聚合物敏感膜的气敏传感器研究”主要围绕两方面工作开展。 第一方面是研究了一种能用于探测神经类毒气的基于纳米分子筛的微结构气敏传感器,这种传感器具有灵敏度高,响应快,微型化等特点。这方面的研究工作,为反恐,防恐和现代化战争对神经类毒气快速探测提供了一条新的途径。 用一般分子筛敏感膜对有机气体的研究已有报道。检测的最低浓度为40ppm,对应的检测灵敏度为0.5Hz/ppm,响应时间为4000s。但对有毒的神经类气体的测试尚未见报道。 本论文探索了一种能对化学神经类毒气沙林的类似物,甲基磷酸二甲酯(DMMP)快速响应的新型的敏感膜材料——纳米分子筛。对三种不同孔径和形貌的纳米分子筛ZSM-5,Ag+修饰的ZSM-5和beta分子筛的材料合成,材料对DMMP气体响应的重复性,选择性进行了研究。实验表明它们对DMMP气体的响应与分子筛的孔道直径和形貌有关,得到了一种对DMMP敏感性较好的敏感材料ZSM-5纳米分子筛。 为了检测这些材料作为气敏膜的性能,利用石英晶体微天平(QCM)技术,研制了基于纳米分子筛ZSM-5敏感膜的类神经毒气的传感器原型。为提高传感器的检测精度,在测试方法上采用特高频谐振片和差频系统,消除了测试系统误差。对1ppm浓度的DMMP气体,传感器的频率响应达到60Hz。 分子筛膜的脱附困难是纳米分子筛敏感膜传感器发展的主要技术瓶颈之一,传统的高温脱附和纯氮气吹洗办法无法有效地使纳米膜得到再生。本论文研制了高频交变电场脱附系统,对极性较强的DMMP气体的脱附作了研究,实验表明高频交变电场方法可以使脱附时间从传统方法的100秒缩短到20秒,使传感器的重复性很快得到再现。 总之,本论文首次探索了对类神经毒剂沙林的相似物DMMP敏感的纳米分子筛材料,研制了类神经毒剂传感器原型,该传感器具有很高的灵敏度,达到60Hz/ppm。本文提出了一种高频交变电场脱附的新方法,解决了纳米分子筛脱附难的技术关键,这些结果表明基于纳米分子筛敏感膜的类沙林传感器是小型,快速,准确探测神经类毒气传感器的一个新的发展方向。
论文目录:
第一章 引言
1.1 气敏传感器
1.2 气敏传感器的主要特征参数
1.3 气敏传感器的发展方向
1.4 气敏传感器的敏感膜
1.4.1 金属氧化物半导体敏感膜
1.4.2 微孔膜-纳米分子筛
1.4.3 微孔膜—聚合物敏感膜
1.5.本论文研究目标
1.6 本论文研究内容
参考文献
第二章 对类神经毒气敏感的新型纳米分子筛材料的研究
2.1 引言
2.2 基于纳米分子筛的石英振荡DMMP传感器原理
2.2.1 纳米分子筛的吸附原理
2.2.2 石英谐振传感器的工作原理
2.2.3 类神经类毒气DMMP
2.3 纳米分子筛材料的制备与表征
2.3.1 纳米沸石分子筛膜样品的制备
2.3.2 纳米沸石分子筛膜样品的表征
2.3.3 传感器的制备及测试系统
2.4 实验结果
2.4.1 ZSM-5纳米分子筛膜对不同浓度的DMMP气体的响应
2.4.2 Ag+ZSM-5纳米分子筛膜对不同浓度的DMMP气体的响应
2.4.3 BETA纳米分子筛对不同浓度的DMMP气体的响应
2.5 实验结果讨论：不同孔径的分子筛对DMMP气体的响应比较
2.6 本章小结
参考文献
第三章 纳米分子筛敏感膜类神经传感器性能的研究
3.1 引言
3.2 有关纳米分子筛ZSM-5敏感膜传感器重复性的研究
3.2.1 纯氮气吹洗脱附
3.2.2 高温处理和纯氮气与吹洗脱附
3.2.3 特高频差频法加纯氮气吹洗
3.2.4 超声频率交变电场对DMMP气体脱附的研究
3.3 纳米分子筛ZSM-5传感器的选择性研究
3.3.1 纳米分子筛ZSM-5传感器对丙酮气体的响应
3.3.2 ZSM-5分子筛与Ag+ZSM-5分子筛膜对其它有机气体的选择性研究
3.4 影响纳米分子筛敏感膜的传感器对DMMP气体吸附因素
3.4.1 分子筛膜的厚度与传感器吸附响应的关系
3.4.2 测试温度与传感器吸附响应的关系
3.5 本章小结
参考文献
第四章 基于碳黑聚合物传感器阵列的研究
4.1 引言
4.2 碳黑聚合物膜的涂膜技术
4.3 模式识别
4.3.1 传感器的数学模型
4.3.2 传感器阵列的选择性
4.3.3 主成份分析原理
4.4 基于碳黑传感器阵列的实验研究
4.4.1 敏感材料
4.4.2 微电极阵列的设计
4.4.3 敏感薄膜的制作
4.4.4 实验检测系统
4.5 试验结果和分析
4.5.1 不同形状的阵列结构对气体的响应
4.5.2 梳状阵列结构传感器对相同种浓度的有机气体的响应
4.5.3 对单种浓度有机气体的主成份分析与气体的识别：
4.5.4 不同碳黑聚合物膜的传感器对不同浓度的有机气体的响应曲线
4.5.5 基于碳黑聚合物传感器对各种浓度的有机气体的主成份分析
4.5.6 基于碳黑聚合物传感器对混合有机气体的主成份分析
4.6 结果讨论
4.7 本章小结
参考文献
第五章 结论
5.1 论文的创新点
5.2 有待进一步研究的问题有
附件1 攻读博士学位期间发表论文一览
插图清单
表格清单
致谢
发布时间: 2005-09-19
参考文献
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