基于导电聚合物的QCM气敏传感器研究

论文摘要

气敏传感器是一种简便的气体检测方法,在环境监测、工农业生产、食品卫生、医疗诊断、军事和公共安全等许多领域有着广泛的应用前景。气敏传感器阵列与人工智能相结合构成的人工嗅觉系统弥补了单一气敏传感器存在的一些缺陷,拓展了气敏传感器的应用范围,同时也对气敏传感器的性能提出了更高的要求。研究和开发高灵敏度、快速响应、重现性好、体积小、工作温度度低、功耗低的气敏传感器具有十分重要的意义。本文概述了气敏传感器的研究进展,从敏感材料和检测方法两个角度分析了各种气敏传感器的优缺点以及性能改善的方法。针对食品检验、环境监测和医疗诊断等领域迫切需要检测三甲胺气体这一需求,研究了以导电聚合物作为敏感材料的QCM（Quartz Crystal Microbalance,石英晶体微天平）气敏传感器。通过对QCM的工作原理及结构特点分析,在借鉴已有QCM信号检测方法的基础之上,作者首先开发了一套低成本的QCM测量系统,用于研究气敏传感器的性能。其次,采用乳聚法和添加少量表面活性剂诱导的方法分别制备了聚吡咯、水溶性聚苯胺,并将它们作为敏感膜材料制作了QCM气敏传感器。考察了这些传感器对三甲胺气体响应的灵敏度、响应时间、恢复时间、重现性、选择性、寿命等多方面的性能。实验结果表明,在室温环境下传感器工作性能良好、稳定。这种气敏传感器制备方法具有操作简单、条件易于控制、耗时短、成本低等优点。还通过在苯胺聚合过程中添加TiO2溶胶—凝胶的方法制得了聚苯胺—TiO2纳米复合物,并考察了TiO2纳米粒子对聚苯胺气敏性能的影响。研究发现聚苯胺—TiO2纳米复合物的耐热性要比水溶性聚苯胺好。分析探讨了造成它们耐热性不一样的原因,为气体敏感材料的设计和改性提供借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 气体检测的必要性
• 1.1.2 气敏传感器
• 1.1.3 人工嗅觉
• 1.2 课题的提出及主要工作
• 1.3 论文结构安排
• 第2章 QCM工作原理及测量
• 2.1 QCM技术
• 2.1.1 理论基础
• 2.1.2 QCM结构
• 2.1.3 QCM等效电路的分析
• 2.1.4 QCM信号测量方法
• 2.2 QCM在传感器研究中的应用
• 2.3 QCM气敏传感器及其测试系统的研制
• 2.3.1 QCM气敏传感器的制作
• 2.3.2 低成本QCM气敏传感器性能测试仪的研制
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于聚吡咯修饰的QCM气敏传感器
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 三甲胺检测
• 3.1.2 聚吡咯
• 3.2 实验
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 基于聚吡咯的气敏传感器制备
• 3.2.3 气敏传感器测试装置和方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 响应特性
• 3.3.2 灵敏度
• 3.3.3 选择性
• 3.3.4 稳定性
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于可溶性聚苯胺的QCM气敏传感器研究
• 4.1 研究背景
• 4.1.1 聚苯胺的结构
• 4.1.2 聚苯胺的掺杂
• 4.1.3 聚苯胺的制备方法
• 4.1.4 聚苯胺在气敏传感器中的应用
• 4.2 实验
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 水溶性聚苯胺的制备与表征
• 4.2.3 传感器的制备和测量
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 水溶性聚苯胺表征
• 4.3.2 预处理及重现性
• 4.3.3 选择性
• 4.3.4 灵敏度
• 4.3.5 稳定性
• 4.4 本章小结
• 2修饰对聚苯胺气敏性能的影响研究'>第5章 纳米TiO₂修饰对聚苯胺气敏性能的影响研究
• 5.1 研究背景
• 5.1.1 纳米复合材料
• 5.1.2 导电聚合物/半导体纳米复合材料
• 5.2 实验
• 5.2.1 试剂
• 2复合物制备和表征'>5.2.2 纳米聚苯胺—TiO₂复合物制备和表征
• 5.2.3 传感器的制备和测量
• 5.3 实验结果和讨论
• 5.3.1 形貌分析
• 2复合物修饰的QCM气敏传感器性能'>5.3.2 纳米聚苯胺—TiO₂复合物修饰的QCM气敏传感器性能
• 5.3.3 加热处理对传感器性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录一 攻读博士学位期间主要的研究成果
• 附录二 攻读博士学位期间参与研究开发项目
• 附录三 代表性学术论文（全文）
• 致谢