基于QCM的石墨烯薄膜濕敏檢測(cè)系統(tǒng)及其傳感特性研究
發(fā)布時(shí)間：2021-10-09 09:41
濕度作為一個(gè)物理量在許多領(lǐng)域都有著重要影響,健康的生活和安全的社會(huì)生產(chǎn)都離不開對(duì)濕度的測(cè)量,高性能的濕度傳感器一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。QCM傳感器是一種新型的質(zhì)量敏感器件,以石英晶體為換能器將表面的質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出,它具有靈敏度高、實(shí)時(shí)數(shù)字頻率輸出、穩(wěn)定性好、應(yīng)用成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前QCM在濕度檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)基于QCM的氧化石墨烯（GO）薄膜濕敏檢測(cè)系統(tǒng)及其傳感特性研究,本文主要開展了以下研究工作:探討石英晶體的基本理論并對(duì)比各種常用的QCM信號(hào)檢測(cè)方法,綜合考慮各種因素后決定用普通振蕩電路作為QCM的驅(qū)動(dòng)電路�？紤]到QCM因?yàn)闇囟�、壓�?qiáng)及自身老化帶來的頻率漂移,采用差頻電路來降低這些因素的影響。設(shè)計(jì)四階巴特沃斯低通濾波電路以減小高次諧波對(duì)QCM輸出頻率的干擾,在完成硬件電路設(shè)計(jì)的同時(shí)基于STM32與LabVIEW設(shè)計(jì)下位機(jī)與上位機(jī)程序,最終完成QCM信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)�；贕O的濕敏特性,采用靜電自組裝技術(shù)與原位聚合方法制備PANI/GO、PDDA/GO、PANI/SnO2/GO薄膜型QCM濕度傳感器,實(shí)現(xiàn)聚合物與金屬氧...
【文章來源】：中國(guó)石油大學(xué)(華東)山東省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：81 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
常用濕度檢測(cè)方法
中國(guó)石油大學(xué)（華東）工程碩士學(xué)位論文5具有優(yōu)異的物理和電學(xué)性能，如高比表面積、高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性等，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研究，特別是在濕敏領(lǐng)域展現(xiàn)了極大的應(yīng)用潛力。由石墨烯獲得的衍生物如氧化石墨烯以及還原氧化石墨烯(Reducedgrapheneoxide,RGO)因?yàn)榫哂懈鼉?yōu)異的性能也被廣泛用于濕敏傳感器研究[17,18]。ChenglongZhao等[19]報(bào)道了一種基于GO的CMOS指叉型電容式濕度傳感器。圖1-2(a)-(f)為傳感器的制備方法以及濕敏性能測(cè)試結(jié)果，將GO在去離子水中超聲振蕩得到GO溶液，在傳感器件的感應(yīng)區(qū)滴涂GO溶液，然后將器件置于50℃環(huán)境下干燥，同時(shí)以相同方法制備了以聚酰亞胺為敏感材料的傳感器件。通過測(cè)試對(duì)比兩種傳感器的濕敏特性發(fā)現(xiàn)，GO濕敏薄膜的厚度更小(1μm)，以GO為敏感材料的傳感器件有更高的靈敏度(-9.5fF/％RH)，更快的響應(yīng)時(shí)間(5s)，更小的濕滯(＜4%RH)，以及極好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，為GO制備高性能的濕度傳感器提供了實(shí)驗(yàn)支持。圖1-2基于GO的電容式濕度傳感器：(a)GO溶液制備；(b)傳感器結(jié)構(gòu)及制備過程；(c)不同材料的濕敏性能；(d)傳感器的響應(yīng)時(shí)間(e)傳感器的濕滯(f)重復(fù)性和穩(wěn)定性[19]Fig.1-2GO-basedcapacitivehumiditysensor:(a)preparationofGOsolution,(b)sensorstructureandpreparationprocess,(c)humiditysensitiveperformanceofdifferentmaterials,(d)responsetimeofsensor,(e)humidityhysteresisofsensor,(f)repeatabilityandstability[19]YouqingWang等[20]報(bào)道了一種基于GO涂覆的光纖濕度傳感器。如圖1-3(a)-(d)所
第1章緒論6示，作者將GO涂覆在傾斜布拉格光纖光柵上制備濕度傳感器件，在10%~80%RH范圍內(nèi)測(cè)試包層模振蕩的幅度變化。同時(shí)也檢測(cè)了傳感器的重復(fù)性，5次重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)在各個(gè)濕度點(diǎn)都基本吻合，另外分別測(cè)試了30%RH和70%RH下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)傳感器具有較好的穩(wěn)定性。圖1-3基于GO的光纖濕度傳感器：(a)GO包覆的布拉格光柵和實(shí)驗(yàn)裝置；(b)10%~80%RH下的包層模振蕩幅度變化；(c)五次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的靈敏度誤差；(d)傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果[20]Fig.1-3GO-basedfiberoptichumiditysensor:(a)tiltedfiberbragggratingcoatedwithGOandexperimentalsetup,(b)theamplitudes’changeofthecladdingmoderesonanceagainstwiththeRHchangingfrom10%to80%RH,(c)thesensitivityerrorsoffiverepetitiveexperiments,(d)thetestresultofsensorstability[20]AbdullahilKafy等[21]報(bào)道了基于纖維素納米晶體/GO復(fù)合薄膜的電容式濕度傳感器。如圖1-4(a)所示，使用簡(jiǎn)單的混合方法制備二元復(fù)合材料，將復(fù)合材料置于烘箱中60℃下干燥得到固體薄膜，然后在一個(gè)寬的濕度范圍內(nèi)測(cè)試材料的濕敏特性。如圖1-4(b)-(e)所示，作者分別測(cè)試了純纖維素納米晶體和不同復(fù)合比材料的電容隨濕度的變化情況，發(fā)現(xiàn)GO的加入改善了纖維素納米晶體的濕敏性能，使其具有更高的靈敏度；同時(shí)作者也給出傳感器的濕滯回線，發(fā)現(xiàn)解吸附曲線只是略微滯后于吸附曲線，說明傳感器具有較小的濕滯；測(cè)試了溫度對(duì)傳感器濕敏性能的影響，發(fā)現(xiàn)傳感器在不同溫度下均對(duì)濕度響應(yīng)靈敏；對(duì)比所制備傳感器與商用濕度傳感器的性能，兩種傳感器表現(xiàn)出相
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于QCM的濕度傳感器等效電路模型研究[J]. 郭劍鋒,劉慶輝,鄭國(guó)恒,楊潔,時(shí)朝暉. 傳感器與微系統(tǒng). 2017(08)
[2]電阻式濕度傳感器技術(shù)及相關(guān)專利分析[J]. 李玉林. 電子世界. 2017(08)
[3]石英晶體微天平在月塵累積量測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 王鹢,莊建宏,楊生勝,姚日劍,鄒昕,王先榮,崔陽(yáng),陳麗平,李存惠. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2016(02)
[4]巴特沃斯低通濾波器的仿真設(shè)計(jì)[J]. 龔作豪,沈君鳳. 信息通信. 2014(07)
[5]基于EWB的巴特沃斯有源低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 張白莉,郭紅英. 吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2011(04)
[6]濕度傳感器的選用及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 喻曉莉,楊健,倪彥. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用. 2009(02)
[7]光纖技術(shù)在濕度傳感器中的應(yīng)用[J]. 韓悅文,陳海燕,黃春雄. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù). 2008(06)
[8]用與門實(shí)現(xiàn)差頻測(cè)量[J]. 張偉玉,董晉峰,張國(guó)雄. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2008(06)
[9]濕度測(cè)量方法與儀器的發(fā)展[J]. 白韶紅. 儀器儀表用戶. 2006(04)
[10]一種簡(jiǎn)單實(shí)用的差頻方法原理研究及應(yīng)用[J]. 程坤,黃慶安,秦明,茅盤松. 電子器件. 2006(02)
博士論文
[1]無源無線溫濕度傳感器研究[D]. 任青穎.東南大學(xué) 2017
[2]氧化石墨烯的濕敏特性及其在微納濕度傳感器上的應(yīng)用[D]. 姚堯.西南交通大學(xué) 2013
碩士論文
[1]基于半導(dǎo)體納米線的傳感器研究[D]. 朱李斯.華東師范大學(xué) 2015
[2]基于FPGA的多路QCM濕度傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 趙晶.西南交通大學(xué) 2013
[3]層層組裝法制備磁性吸附劑及其對(duì)重金屬吸附性能的研究[D]. 何鳳博.華中科技大學(xué) 2013
[4]QCM濕度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的研制[D]. 肖光華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
[5]基于QCM傳感器的凝血酶原時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)的研制[D]. 孫娜娜.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
[6]基于具有納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦敏感膜的QCM氣敏傳感器研究[D]. 張翱.浙江大學(xué) 2010
本文編號(hào)：3426112
【文章來源】：中國(guó)石油大學(xué)(華東)山東省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：81 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
常用濕度檢測(cè)方法
中國(guó)石油大學(xué)（華東）工程碩士學(xué)位論文5具有優(yōu)異的物理和電學(xué)性能，如高比表面積、高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性等，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研究，特別是在濕敏領(lǐng)域展現(xiàn)了極大的應(yīng)用潛力。由石墨烯獲得的衍生物如氧化石墨烯以及還原氧化石墨烯(Reducedgrapheneoxide,RGO)因?yàn)榫哂懈鼉?yōu)異的性能也被廣泛用于濕敏傳感器研究[17,18]。ChenglongZhao等[19]報(bào)道了一種基于GO的CMOS指叉型電容式濕度傳感器。圖1-2(a)-(f)為傳感器的制備方法以及濕敏性能測(cè)試結(jié)果，將GO在去離子水中超聲振蕩得到GO溶液，在傳感器件的感應(yīng)區(qū)滴涂GO溶液，然后將器件置于50℃環(huán)境下干燥，同時(shí)以相同方法制備了以聚酰亞胺為敏感材料的傳感器件。通過測(cè)試對(duì)比兩種傳感器的濕敏特性發(fā)現(xiàn)，GO濕敏薄膜的厚度更小(1μm)，以GO為敏感材料的傳感器件有更高的靈敏度(-9.5fF/％RH)，更快的響應(yīng)時(shí)間(5s)，更小的濕滯(＜4%RH)，以及極好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，為GO制備高性能的濕度傳感器提供了實(shí)驗(yàn)支持。圖1-2基于GO的電容式濕度傳感器：(a)GO溶液制備；(b)傳感器結(jié)構(gòu)及制備過程；(c)不同材料的濕敏性能；(d)傳感器的響應(yīng)時(shí)間(e)傳感器的濕滯(f)重復(fù)性和穩(wěn)定性[19]Fig.1-2GO-basedcapacitivehumiditysensor:(a)preparationofGOsolution,(b)sensorstructureandpreparationprocess,(c)humiditysensitiveperformanceofdifferentmaterials,(d)responsetimeofsensor,(e)humidityhysteresisofsensor,(f)repeatabilityandstability[19]YouqingWang等[20]報(bào)道了一種基于GO涂覆的光纖濕度傳感器。如圖1-3(a)-(d)所
第1章緒論6示，作者將GO涂覆在傾斜布拉格光纖光柵上制備濕度傳感器件，在10%~80%RH范圍內(nèi)測(cè)試包層模振蕩的幅度變化。同時(shí)也檢測(cè)了傳感器的重復(fù)性，5次重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)在各個(gè)濕度點(diǎn)都基本吻合，另外分別測(cè)試了30%RH和70%RH下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)傳感器具有較好的穩(wěn)定性。圖1-3基于GO的光纖濕度傳感器：(a)GO包覆的布拉格光柵和實(shí)驗(yàn)裝置；(b)10%~80%RH下的包層模振蕩幅度變化；(c)五次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的靈敏度誤差；(d)傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果[20]Fig.1-3GO-basedfiberoptichumiditysensor:(a)tiltedfiberbragggratingcoatedwithGOandexperimentalsetup,(b)theamplitudes’changeofthecladdingmoderesonanceagainstwiththeRHchangingfrom10%to80%RH,(c)thesensitivityerrorsoffiverepetitiveexperiments,(d)thetestresultofsensorstability[20]AbdullahilKafy等[21]報(bào)道了基于纖維素納米晶體/GO復(fù)合薄膜的電容式濕度傳感器。如圖1-4(a)所示，使用簡(jiǎn)單的混合方法制備二元復(fù)合材料，將復(fù)合材料置于烘箱中60℃下干燥得到固體薄膜，然后在一個(gè)寬的濕度范圍內(nèi)測(cè)試材料的濕敏特性。如圖1-4(b)-(e)所示，作者分別測(cè)試了純纖維素納米晶體和不同復(fù)合比材料的電容隨濕度的變化情況，發(fā)現(xiàn)GO的加入改善了纖維素納米晶體的濕敏性能，使其具有更高的靈敏度；同時(shí)作者也給出傳感器的濕滯回線，發(fā)現(xiàn)解吸附曲線只是略微滯后于吸附曲線，說明傳感器具有較小的濕滯；測(cè)試了溫度對(duì)傳感器濕敏性能的影響，發(fā)現(xiàn)傳感器在不同溫度下均對(duì)濕度響應(yīng)靈敏；對(duì)比所制備傳感器與商用濕度傳感器的性能，兩種傳感器表現(xiàn)出相
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于QCM的濕度傳感器等效電路模型研究[J]. 郭劍鋒,劉慶輝,鄭國(guó)恒,楊潔,時(shí)朝暉. 傳感器與微系統(tǒng). 2017(08)
[2]電阻式濕度傳感器技術(shù)及相關(guān)專利分析[J]. 李玉林. 電子世界. 2017(08)
[3]石英晶體微天平在月塵累積量測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 王鹢,莊建宏,楊生勝,姚日劍,鄒昕,王先榮,崔陽(yáng),陳麗平,李存惠. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2016(02)
[4]巴特沃斯低通濾波器的仿真設(shè)計(jì)[J]. 龔作豪,沈君鳳. 信息通信. 2014(07)
[5]基于EWB的巴特沃斯有源低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 張白莉,郭紅英. 吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2011(04)
[6]濕度傳感器的選用及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 喻曉莉,楊健,倪彥. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用. 2009(02)
[7]光纖技術(shù)在濕度傳感器中的應(yīng)用[J]. 韓悅文,陳海燕,黃春雄. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù). 2008(06)
[8]用與門實(shí)現(xiàn)差頻測(cè)量[J]. 張偉玉,董晉峰,張國(guó)雄. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2008(06)
[9]濕度測(cè)量方法與儀器的發(fā)展[J]. 白韶紅. 儀器儀表用戶. 2006(04)
[10]一種簡(jiǎn)單實(shí)用的差頻方法原理研究及應(yīng)用[J]. 程坤,黃慶安,秦明,茅盤松. 電子器件. 2006(02)
博士論文
[1]無源無線溫濕度傳感器研究[D]. 任青穎.東南大學(xué) 2017
[2]氧化石墨烯的濕敏特性及其在微納濕度傳感器上的應(yīng)用[D]. 姚堯.西南交通大學(xué) 2013
碩士論文
[1]基于半導(dǎo)體納米線的傳感器研究[D]. 朱李斯.華東師范大學(xué) 2015
[2]基于FPGA的多路QCM濕度傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 趙晶.西南交通大學(xué) 2013
[3]層層組裝法制備磁性吸附劑及其對(duì)重金屬吸附性能的研究[D]. 何鳳博.華中科技大學(xué) 2013
[4]QCM濕度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的研制[D]. 肖光華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
[5]基于QCM傳感器的凝血酶原時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)的研制[D]. 孫娜娜.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
[6]基于具有納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦敏感膜的QCM氣敏傳感器研究[D]. 張翱.浙江大學(xué) 2010
本文編號(hào)：3426112
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