基于具有纳米结构二氧化钛敏感膜的QCM气敏传感器研究

论文摘要

气敏传感器在环境保护与监测、工业生产、国防与公共安全等领域具有十分广泛的应用前景。随着人们生活水平的提高,开发具有高灵敏度和稳定性、低功耗、易与电子系统相连、携带方便、可在室温操作的气敏传感器更具有重要的现实意义。基于石英晶体微天平（QCM）原理的气敏传感器可以满足上述要求,因此近年来得到了研究人员的普遍关注。以邻苯二甲酸二丁酯（DBP）为代表的邻苯二甲酸酯类化合物是一类广泛存在于全球大气环境中的化学污染物,会扰乱哺乳动物的正常内分泌功能,导致生育能力的缺陷。本文针对检测低浓度DBP气体这一需求,研究了以具有纳米结构的二氧化钛为敏感材料的QCM气敏传感器。本文首先结合QCM的工作原理与信号检测理论,开发了一套基于单片机系统的QCM气体检测平台。然后采用水热合成法制备了具有纳米结构的TiO2敏感物质,并使用滴涂的办法使其成膜在QCM电极上从而制成QCM气敏传感器。接着,利用自制的气体检测平台,考察了传感器对DBP气体的灵敏度、选择性、稳定性等性能参数。实验结果表明,在室温条件下,该QCM传感器响应对DBP气体0.0434ppm到0.735ppm浓度范围内具有良好的线性关系;与乙醇、乙醛、乙烯和丙酮响应比较,显示出对DBP较好的选择性;在保存一个月后该传感器响应幅度为制备初期的80%。最后还讨论了纳米结构对传感器响应的作用。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 1.绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 气敏传感器的兴起
• 1.1.2 气敏传感器的类型
• 1.1.3 气敏传感器主要性能指标
• 1.2 气敏传感器国内外研究现状
• 1.3 本课题的主要工作
• 1.4 论文结构安排
• 2.QCM工作原理
• 2.1 石英晶体的压电效应
• 2.2 QCM的理论模型
• 2.3 QCM信号检测方法
• 2.4 QCM技术在传感器领域的应用
• 2.5 本章小结
• 3.QCM气敏传感器检测平台的建立
• 3.1 总体设计
• 3.2 硬件设计
• 3.2.1 信号采集模块
• 3.2.2 微处理器模块
• 3.2.3 数据传输模块
• 3.2.4 电源模块
• 3.3 软件设计
• 3.3.1 单片机软件
• 3.3.2 上位机软件
• 3.4 本章小结
• 4.基于纳米结构敏感膜的QCM气敏传感器的研究
• 4.1 研究背景
• 4.1.1 邻苯二甲酸二丁酯的检测
• 4.1.2 纳米材料及其特性
• 4.1.3 二氧化钛敏感材料及其应用
• 4.2 实验
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 具有纳米结构二氧化钛的制备
• 4.2.3 QCM气敏传感器的制备
• 4.2.4 实验装置及过程
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 响应特性
• 4.3.2 灵敏度
• 4.3.3 选择性
• 4.3.4 稳定性
• 4.3.5 纳米结构的作用
• 4.4 本章小结
• 5.总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间主要的研究成果