隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展,人們對(duì)傳感檢測(cè)技術(shù)的要求與標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高,以便更好的將其應(yīng)用于工業(yè)污染監(jiān)控、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)診斷、海洋與深地環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域。傳感器是儀器系統(tǒng)獲取有效信號(hào)的前端與核心部件;而隨著儀器逐漸向智能化、集成化、小型化過(guò)渡,傳感器的研制已逐步向物理極限與工藝極限邁進(jìn)。更重要的是,常規(guī)的傳感器敏感元件只能對(duì)單一的一種物理參數(shù)或化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行傳感與監(jiān)測(cè),而針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的多個(gè)物理參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)的傳感,往往需要多個(gè)傳感器或者體系龐雜的集成傳感器進(jìn)行測(cè)試,增加了操作的繁瑣程度以及系統(tǒng)所占用的物理空間。綜上所述,研制小型化、多功能、高靈敏度的多功能傳感器是儀器系統(tǒng)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。光學(xué)傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)敏感元件是構(gòu)成光學(xué)傳感器的重要組成部分,通過(guò)發(fā)展具有多刺激響應(yīng)能力,即具有多個(gè)物理參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)傳感功能的材料作為敏感元件并將其制成多功能光學(xué)傳感器,一直吸引著研究者的科研興趣。該類(lèi)傳感器可以避免像其他多功能集成傳感器一樣需要多個(gè)模塊或系統(tǒng)復(fù)合的情況,只需要單一地對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控即可完成多個(gè)環(huán)境參數(shù)的傳感。熒光分子開(kāi)關(guān)類(lèi)材料通常具有多刺激響應(yīng)能力,可以在不同的外界條件下在兩種或多種光學(xué)穩(wěn)態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)換。因此可以直接通過(guò)監(jiān)測(cè)其光學(xué)信號(hào)的變化情況而對(duì)環(huán)境中的不同物理或者化學(xué)參數(shù)進(jìn)行傳感。這樣可以在對(duì)儀器設(shè)備的要求不高的前提下簡(jiǎn)單快捷的對(duì)多個(gè)待測(cè)目標(biāo)或參數(shù)進(jìn)行傳感,并且不需要特定溫度或特定濕度等條件。因此研制基于熒光分子開(kāi)關(guān)作為敏感元件的光學(xué)傳感器是發(fā)展多功能傳感器的一條可行之路。為了研制出能夠檢測(cè)多個(gè)物理參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)的多功能傳感器的敏感元件,本論文選用具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)的四苯基乙烯分子(TPE)作為熒光團(tuán)并化學(xué)修飾上具有多刺激響應(yīng)能力的螺吡喃分子開(kāi)關(guān)(Sp),合成了一系列可以作為敏感元件的聚集誘導(dǎo)發(fā)光熒光分子開(kāi)關(guān)材料�；趯�(duì)該類(lèi)敏感元件的研制與優(yōu)化,開(kāi)發(fā)出了能夠?qū)Χ鄠�(gè)物理參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)的多功能光學(xué)傳感器。由于該類(lèi)熒光分子開(kāi)關(guān)具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì),因此即便是應(yīng)用在固體傳感器中也不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)熒光材料的聚集誘導(dǎo)熒光淬滅的現(xiàn)象,從而避免其阻礙熒光材料在固態(tài)傳感器中的應(yīng)用。該類(lèi)熒光分子開(kāi)關(guān)具有多刺激響應(yīng)的能力,可以在不同的外界刺激(例如酸堿、壓力、離子、有機(jī)溶劑氣體等)下在多個(gè)穩(wěn)態(tài)間轉(zhuǎn)換從而帶動(dòng)分子光學(xué)性質(zhì)的變化從而進(jìn)行傳感。可以通過(guò)光纖等設(shè)備對(duì)光學(xué)信號(hào)變化監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行傳感檢測(cè)的功能。雖然該類(lèi)熒光分子開(kāi)關(guān)單一參數(shù)的傳感指標(biāo)與國(guó)際前沿水平有一定差距,但同時(shí)可對(duì)多種物理參數(shù)和化學(xué)參數(shù)進(jìn)行傳感的有機(jī)小分子多功能敏感元件,是少有報(bào)導(dǎo)的�；谠擃�(lèi)敏感元件的多功能傳感器可以在一些需要進(jìn)行環(huán)境多參數(shù)傳感的情況下進(jìn)行應(yīng)用。例如地質(zhì)災(zāi)害中的地震和火山噴發(fā),通常伴隨著周?chē)祊H,亞硫酸氫根與深地壓力的變化等。因此基于該熒光分子開(kāi)關(guān)敏感元件的多功能光學(xué)傳感器在對(duì)深井與深海環(huán)境原位傳感檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)地質(zhì)活動(dòng)方面具有很大應(yīng)用潛力。本論文具體的研究?jī)?nèi)容如下:1)研制出兩種四苯基乙烯-螺吡喃結(jié)構(gòu)的熒光分子開(kāi)關(guān)(FSPTPE與SPTPE)作為探索型敏感元件,并對(duì)二者基礎(chǔ)性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比分析。本文分別通過(guò)共用苯環(huán)的方式與C-C單鍵連接的方式將四苯基乙烯與螺吡喃連接從而制備出熒光分子開(kāi)關(guān)FSPTPE與SPTPE。首先研究了這兩個(gè)分子開(kāi)關(guān)在液體狀態(tài)下的多刺激響應(yīng)性質(zhì),隨后對(duì)二者在固體狀態(tài)下的多刺激響應(yīng)性能和多穩(wěn)態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換的性質(zhì)進(jìn)行了研究,初步考察了FSPTPE與SPTPE作為敏感元件的檢測(cè)能力。在液體條件下,二者都可以展現(xiàn)出酸/堿、紫外/可見(jiàn)光傳感的能力。在固體條件下,二者不光展現(xiàn)出對(duì)酸、堿的傳感能力,還展現(xiàn)出對(duì)有機(jī)溶劑和壓力的傳感能力。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),SPTPE具有更高的熒光信號(hào)強(qiáng)度,中性或者堿性環(huán)境下固體狀態(tài)具有高于FSPTPE固體狀態(tài)5倍的熒光量子產(chǎn)率,因此具有更強(qiáng)的靈敏度與可識(shí)別度。此外由于結(jié)構(gòu)的特殊性SPTPE具有更多的穩(wěn)態(tài)數(shù)目并且可對(duì)更廣泛的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行傳感。因此作為敏感元件,SPTPE具有更強(qiáng)的傳感能力,但依舊存在一些缺點(diǎn),例如不能對(duì)離子進(jìn)行傳感、對(duì)pH檢測(cè)范圍窄等。2)基于之前已經(jīng)得到的兩種熒光分子開(kāi)關(guān),對(duì)材料結(jié)構(gòu)與材料傳感性能的關(guān)系進(jìn)行綜合分析后,又進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整了熒光分子開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)得到TPE-Sp-CN,并將其作為敏感元件進(jìn)行傳感測(cè)試。SPTPE與FSPTPE相比在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)苯環(huán),使熒光分子開(kāi)關(guān)在螺吡喃一端以單臂的形式延長(zhǎng)。SPTPE展現(xiàn)出相比于FSPTPE更優(yōu)異的傳感性質(zhì)�；赟PTPE的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化,得到最終敏感元件材料TPE-Sp-CN。本文主要從兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),首先TPE通過(guò)單鍵連接在Sp分子吲哚氮的對(duì)位,改變熒光分子開(kāi)關(guān)的電子云結(jié)構(gòu)使其在壓力傳感時(shí)熒光波長(zhǎng)變化更明顯,提高敏感元件的傳感靈敏度。另一方面吸電子基團(tuán)氰基的修飾提高了分子開(kāi)關(guān)的開(kāi)環(huán)能力,使敏感元件對(duì)外界物理或化學(xué)參數(shù)的變化更加敏感。隨后對(duì)該多功能敏感元件進(jìn)行了性質(zhì)測(cè)試,證明該敏感元件可以對(duì)酸、堿、亞硫酸氫根陰離子、紫外-可見(jiàn)光、溶劑、壓力進(jìn)行響應(yīng)并傳感,并且經(jīng)過(guò)探索得到了傳感檢測(cè)的最優(yōu)條件。3)基于多功能敏感元件TPE-Sp-CN熒光分子開(kāi)關(guān),利用光纖與相應(yīng)光譜儀搭建了簡(jiǎn)易的液態(tài)與固態(tài)傳感器。其中液態(tài)傳感器可以對(duì)水溶液的pH值與亞硫酸氫根進(jìn)行定性與定量的傳感與檢測(cè)。對(duì)pH的檢測(cè)量程為0到4;對(duì)亞硫酸氫根可以進(jìn)行特異性檢測(cè)并且檢測(cè)限達(dá)到1×10~(-5) M(1.04 ppm)。固體傳感器可以對(duì)有機(jī)溶劑氣體和液壓進(jìn)行傳感。對(duì)有機(jī)溶劑氣體為粗獷式傳感,而對(duì)液壓的傳感區(qū)間為常壓到6 GPa。因此僅通過(guò)該敏感元件的光學(xué)信號(hào)的變化,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)pH、亞硫酸氫根、有機(jī)溶劑和壓力進(jìn)行傳感。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TP212
【部分圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文1.2 多功能傳感器的研究現(xiàn)狀傳感器是一類(lèi)傳感檢測(cè)裝置，能夠感受環(huán)境中被檢測(cè)目標(biāo)的信息與參數(shù)，同時(shí)將其感受到的信息與參數(shù)按照既定的規(guī)律轉(zhuǎn)變成為便于分析的輸出信號(hào)(一般為電信號(hào))，從而滿(mǎn)足信息的獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示等目的[10]。傳感器包括信息轉(zhuǎn)換單元與信息處理單元。廣義傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-1 所示，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)部分，信息處理單元包含信號(hào)調(diào)節(jié)和信號(hào)處理兩個(gè)部分，并有電源系統(tǒng)供電使系統(tǒng)運(yùn)行[11]。其中敏感元件是傳感器的核心元件，其主要功能是對(duì)環(huán)境中的某種物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和生物參數(shù)進(jìn)行感應(yīng)并將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的一種器件。因此發(fā)展可作為敏感元件的具有刺激響應(yīng)能力的智能敏感材料一直是發(fā)展多功能傳感器的重要內(nèi)容[12]。

并且采用雙質(zhì)量塊體 (圖1-2A)。此外厚度為 23.1μm 的方形薄膜結(jié)構(gòu)與用于壓力傳感與溫度傳感的電阻也填置其中。如圖 1-2B 所示，多功能傳感器在 TO8 管中圖片，在集成傳感器的右邊，傳感質(zhì)量塊體、金屬絲和封閉玻璃內(nèi)室都可見(jiàn)，在傳感器的左邊可以見(jiàn)到壓力傳感膜之上有玻璃空腔。通過(guò)測(cè)試，該多功能傳感器對(duì)于加速度的測(cè)試范圍為-15 g 到 15 g，最大頻率為 20Hz；對(duì)于壓力的傳感量程為 0 bar 到 60 bar，最大頻率為 20Hz；對(duì)溫度的測(cè)量范圍為-10oC 到 100oC，最大頻率為 1Hz。同時(shí)該傳感器也可以同時(shí)滿(mǎn)足單管與雙管減震器的需求。通過(guò)性能測(cè)試，其穩(wěn)定性與低成本性具有巨大的應(yīng)用潛力并可以實(shí)時(shí)的評(píng)估減震器的工作環(huán)境與狀態(tài)從而保障行車(chē)的安全。

(A) 雙質(zhì)量加速器的詳細(xì)優(yōu)化梁結(jié)構(gòu)。(B) 置于減震器的集成化多 YO8 封裝管中的圖片。jita 課題組報(bào)導(dǎo)了一種可以用于智能信息傳輸 (IDC) 的集成多功]。該系統(tǒng)包括三維加速度計(jì)、壓力傳感系統(tǒng)、溫度傳感系統(tǒng)和濕并且與周?chē)碾娐废到y(tǒng)共同連接在一個(gè)芯片上，并且電路系統(tǒng)還將同一個(gè)單芯片的具有 A/D 轉(zhuǎn)換器的微處理器上。該處理器可以長(zhǎng)的環(huán)境信息并同時(shí)將傳感器的輸出信號(hào)通過(guò) TCP/IP 協(xié)議傳送給遠(yuǎn)此外該多功能傳感器為 SOI 芯片上研制的單片多參數(shù)傳感集成傳用了離子刻蝕技術(shù)進(jìn)行微機(jī)械加工工藝和兩極 IC 加工工藝研制多及周?chē)娐废到y(tǒng)，整個(gè)芯片大小為 10×15 mm2。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，該傳感器在壓力、溫度、濕度和加速度傳感檢測(cè)方面具有很好的性

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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本文編號(hào)：2827026