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氧化氮浓度检测声表面波传感器的研究

二氧化氮传感器.jpg

作为一种主要的大气污染物,二氧化氮(NO2)对人类和环境有严重的危害。声表面波(SAW, Surface Acoustic Wave)传感器技术的发展为研发高灵敏度、高稳定性、响应快速、小型化的二氧化氮传感器提供了重要的技术储备,本文致力于研究基于SAW传感技术的高灵敏度二氧化氮传感器。 首先,选择双端瑞利波谐振器件作为二氧化氮传感单元。通过检测传感器频率变化从而检测二氧化氮浓度值的变化。为了使传感器简单便携,基于正反馈的原理,设计了SAW器件的振荡电路以及信号处理电路,并改善了传感器振荡电路的稳定性使得传感器在10000s内频率波动为40Hz。 其次,选择酞菁铜(CuPc)作为主要二氧化氮敏感材料。为增加传感器在室温下对二氧化氮的灵敏度,采用多壁碳纳米管(MWNTs)以及纳米金属氧化物粒子对敏感材料进行掺杂。研究了敏感膜的制备工艺并利用喷涂法在声表面波器件上成功制备了纳米复合结构的敏感薄膜。 再次,搭建传感器的精密检测实验平台,能精确控制环境变量,并实现传感器输出数据的自动采集、存储。利用此实验平台,本文首先探研了温度、湿度以及气流量对传感器输出信号的影响规律。其次,在50℃工作温度下,测试了不同敏感膜的声表面波传感器对二氧化氮气体的响应,通过对比实验结果,得到结论向CuPc/MWNTs敏感材料中掺杂金属氧化物半导体ZnO和W03能够显著提高传感器对二氧化氮的灵敏度,传感器对1-80ppm的二氧化氮表现出了较好的线性与可重复性,传感器的灵敏度约为54.5Hz/ppm,传感器在50℃下能够检测到300ppb的二氧化氮,响应和恢复时间都小于10min。最后,分析了体异质结结构提高传感器的N02检测灵敏度的理论机制。 本文制备了能在常温下工作的高灵敏度N02传感器,为提高声表面波传感器在相对较低工作温度下的灵敏度提供了一条新的思路。

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