（分析化學(xué)專業(yè)論文）碳粉復(fù)合物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建和應(yīng)用.pdf

碩十畢業(yè)論文 摘要 本文主要研究了碳粉摻雜聚合物的氣體化學(xué)阻抗傳感器及由其組成的傳感器 陣列的優(yōu)化、構(gòu)建及應(yīng)用。主要包括3 部分內(nèi)容： ( 1 ) 以甲苯、水蒸氣作為目標(biāo)分析物考察了電極間距、敏感膜厚度、敏感膜 組成、頻率對碳粉- p e c h ( p o l y e p i c h l o r o h y d r e n e ) 為敏感膜的化學(xué)阻抗傳感器的 影響，同時采用壓電法測定了碳粉對吸附的貢獻(xiàn)。綜合了各種響應(yīng)因子，得出了 最優(yōu)傳感器的條件是電極間距1 5 0m i l l ，碳粉含量5 2 3w t ，頻率1 5 0k h z ，敏 感膜厚度( 以電阻值表示) 2 0 0 一1 0 0 0 q 。 ( 2 ) 使用該傳感器對大量可揮發(fā)性有機(jī)氣體( v o c s ) 進(jìn)行了測試，結(jié)果顯 示具有良好的線性關(guān)系。同時也考察了濕度對傳感器的影響，在高濕度下電阻電 容響應(yīng)模式是不同的。使用n e u g e b a u e r 和w e b b 模型對電阻響應(yīng)模式進(jìn)行了新的 解釋，對其在高溫度下的電阻對水和有機(jī)氣體的負(fù)響應(yīng)進(jìn)行了發(fā)展性的解釋。對 電容響應(yīng)機(jī)理也作了解釋，指出電容響應(yīng)主控因素是膨脹而非傳統(tǒng)認(rèn)為的介電常 數(shù)，只有在很高的濕度下，如6 5 r h 時介電常數(shù)的影響彳能看到。 (3) 采用 5 種聚合 物p i b ( p o l y i s o b u t y l e n e ) 、 o v 一2 5 ( p o l y p h e n y l m e t h y l s i l i c o n e ) 、p e c h 、p u ( p o l y u r e t h a n e ) 、p o t t ( p o l y ( 3 - o c t y l t h i o t h e n e 2 ，5 d i y l ) ) 和碳粉構(gòu)成的復(fù)合物做敏感膜構(gòu)成個5 電極的傳 感器陣列，經(jīng)過測試，篩選出一個由p e c h 、p u 、p o t t 碳粉復(fù)合物三電極構(gòu)成 的傳感器陣列。用該陣列對四種不同極性的可揮發(fā)性有機(jī)物正庚烷、甲苯、二氯 甲烷、乙醇進(jìn)行了測定，并采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法主成分分析( p c a ) 對其進(jìn)行了 分類，同時也采用主成分回歸( p c r ) 和偏最小二乘( p l s ) 對由正庚烷、甲苯、 二氯甲烷混合物進(jìn)行了分析，得到了比較理想的結(jié)果。 關(guān)鍵詞：氣體化學(xué)阻抗傳感器；傳感器陣列；碳粉摻雜聚合物：電阻電容響 應(yīng)機(jī)理；n e u g e b a e r 和w e b 模型；化學(xué)計(jì)量學(xué)方法 碳粉復(fù)合物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建和應(yīng)用 a b s t r a c t c h e m i r e s i s t o rs e n s o r sa n ds e n s o r a r r a y w e r e f a b r i c a t e dw i lhc a r b o n b l a c k ( c b ) d o p e di n s u l a t o rc o m p o s i t e sa ss e n s i n gi n t e r f a c e ，a n da p p l i e df o rt h e a n a l y s i so fv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) a n dv o cm i x t u r e s h em a i nw o r ki s a sb e l o w ： ( 1 ) t h es e n s o rp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h ef i l mt h i c k n e s s ，i n t e r d i g i t a le l e c t r o d eg a p 。 m e m b r a n ec o m p o s i t i o n s , a n ds i g n a lf r e q u e n c yw e r eo p t i m i z e dw i t ht o l u e n ea n dw a t e r v a p o ra st a r g e t t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa r e ：e l e c h o d eg a p ：1 5 0 m m w e i g mp e r c e n t o fc b ：5 2 3 w t ，s i g n a lf r e q u e n c y ：15 0k h z ，c o a t i n gt h i c k n e s sr e p r e s e n t e da s r e s i s t a n c e ：2 0 0 - 10 0 0q t h ec o n t r i b u t i o no fc bt ot h ea b s o r p t i o nw a sa s ot e s t e d u s i n gq c m ( 2 ) as e r i a lo fv o c sw e r ea n a l y z e dw i t ht h ea s - p r e p a r e ds e n s o r ，a n db o t ht h e r e s i s t a n c ea rdt h ec a p a c i t a n c er e s p o n s e sw e r em e a s u r e d ag o o d l i n e a r i t yw a s o b t a i n e d t h eh em i d i l ye f f e c to ns e n s o rr e s p o n s e sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a ta th i 曲h u m i d i t y t h er e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c er e s p o n s em o d ei sd i f f e r e n t t h e r e s p o n s em e c h a n i s mw a si l l u s t r a t e du s i n gn e u g e b a u e ra n dw e b bt h e o r y b a s e do no u r r e s u l t sn o tt h ep e r m e a b i l i t yc h a n g er e s u l t i n gf r o mt h es o r p t i o nb u tt h ef i l ms w e l f i n g g o v e r n st h ec a p a c i t a n c ec h a n g ea tl owh u m i d i t y o n l ya th u m i d i t yo v e r6 5 t h e p e r m e a b i l i t yc h a n g ec o n t r i b u t e st oth ec a p a c i t a n c er e s p o n s e ( 3 ) t h em i x t u r e so fc bw i t h5k i n d so fp o l y m e r s ( p i b ( p o l y i s o b u t y l e n e ) ， o v - 2 5 ( p o l y p h e n y l m e t h y l s i l i c o n e ) ，p e c h ( p o l y e p i c h l o r o h y r o n ) ，p u ( p 0 1 y u r e t h a n e ) ， p o t t ( p o l y o o c t y l t h i o t h e n e ) ) ) w e r et e s t e da st h es e n s i n gi n t e r f a c e ，a n dt h r e e ( p e c h ， p u ，p o t t ) a m o n gt h e mw e r ef i n a l l yc h o s e nt oc o n s | r u c tas e n s o ra r r a y 1 h es e n s o r a r r a yw a se m p l o y e dt o d e t e c t4k i n d s v o c s ，i n c l u d i n gh e p t a n e ，t o l u e n e ， d i c l o r o m e t h a n ea n de t h a n 0 1 c h e m o m e t r i c sm e t h o d ss u c ha sp r i n c i p l ec o m p o u n d s a n a l y s i s ( p c a ) ，p r i n c i p l ec o m p o u n d sr e g r e s s i o n ( p c r ) ，p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ( p l s ) w e r eu s e d1 0c l a ss i j f va n dr e c o g n i z et h e s ev o b c sa sw e l la st h e i rm i x t u r e s k e yw o r d s ：c h e m i r e s i s t o r , s e n s o ra r r a y , c a r b o nb l a c k - - d o p e dp o l y m e r , r e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c er e s p o n s e , c h e m o m e t r i c s 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)尉蟲立進(jìn)行研究所取得的研 究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體 已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文 中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 辱泵旆 日期；。5 年1 月f 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留 并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本 授權(quán)湖南大學(xué)可洲哿本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可 以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密口。 ( 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名：掣親聊吼哆年7 月日 導(dǎo)師躲暫，晉么日期 嗒年7 月土日 碩+ 畢業(yè)論文 第1 章緒論 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國家安全的需要，及時、準(zhǔn)確地對易燃、易 爆、有毒、有害氣體進(jìn)行檢測、預(yù)報和自動控制，是煤炭、石油、化工、電力、國 家安全部門等急待解決的重要課題。同時，隨著人們生活水平的提高，家用燃料 結(jié)構(gòu)的改變，交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，工廠廢氣物的排放，人類對凈化生態(tài)環(huán)境的 需要，要求能夠開發(fā)出性能優(yōu)良、方便耐用、小型多功能的新型氣體檢測裝置。 傳感分析技術(shù)由于其低能耗、低成本、檢測快速、操作簡單，易實(shí)現(xiàn)小型化、遠(yuǎn) 程分析、在線現(xiàn)場分析等特點(diǎn)，在近半個世紀(jì)內(nèi)獲得了高速發(fā)展。 1 1 氣體傳感器研究現(xiàn)狀 在氣體傳感器中，有幾類傳感器研究的比較成熟，其中有很多類產(chǎn)品已經(jīng)投 放到市場。表1 1 列出了這幾種常見的傳感器： 表1 1 幾種比較重要的常見的氣體傳感器 1 1 1 金屬氧化物氣體傳感器 氧化物半導(dǎo)體傳感器是由半導(dǎo)體氧化物，如s n 0 2 、z n o 等為敏感材料構(gòu)成的。 s n 0 2 、z n o 中的多數(shù)載流子為電子。這種類型的傳感器響應(yīng)機(jī)理可用二個公式來 碳粉復(fù)合物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建和應(yīng)用 表示： 1 2 0 2 + e 一斗o 一 ( 1 1 ) x + o 。一x o 。+ + e 一 ( 1 2 ) 在敏感膜表面上吸附o 。，0 2 。，0 2 。離子，形成一個空間電荷層，如公式( 1 1 ) ， 電荷層的厚度與周圍環(huán)境中的氧濃度有關(guān)。當(dāng)其表面吸附還原性氣體，如h 2 時， 還原性氣體反應(yīng)產(chǎn)生電予如公式( 1 2 ) ，導(dǎo)致電導(dǎo)增加；反之，吸附氧化性氣體， 如n 0 2 時，消耗電子，導(dǎo)致電導(dǎo)下降。表面發(fā)生的反應(yīng)是一個復(fù)雜的催化動力學(xué) 過程，受表面狀態(tài)及晶體結(jié)構(gòu)影響。傳感器的響應(yīng)速度受制于氧化還原反應(yīng)的速 度，其恢復(fù)速度受制于擴(kuò)散過程。為了提高傳感器的響應(yīng)速度和靈敏度，傳感器 一般在高溫下( 2 0 0 5 0 0 。c ) 工作。摻入微量的p t 、p d 等金屬元素可以提高傳 感器的選擇性和靈敏度。 此傳感器結(jié)構(gòu)有兩種類型：燒結(jié)型和厚膜型。燒結(jié)型傳感器就是在陶瓷管上 印刷兩個測量電極，然后涂上一層敏感材料的料漿在高溫下燒結(jié)而成。厚膜型傳 感器就是在普通雙線平行電極或叉指電極印刷一層敏感膜制成。兩種傳感器工作 時都需要加熱裝置以提高響應(yīng)速度和靈敏度。 目前商品氧化物半導(dǎo)體傳感器多用于有毒有害和爆炸性氣體報警及撿漏，如 c o t l i 、n o 、n 0 21 2 - 4 、n h 3 【5 6 1 、h 2 【7 。8 1 等氣體的報警、煤氣泄漏報警及些天然 氣測定、氣味鑒別、氧化物半導(dǎo)體傳感器具有性能穩(wěn)定、使用壽命長、制作工藝 簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。這種傳感器是目前市場上用到的最為廣泛的傳感器，因?yàn)?不受水蒸汽的干擾，其唯一的不足就是需要在高溫下工作。 1 1 2 場效應(yīng)管氣體傳感器 場效應(yīng)管是由2 個p n 結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體元件。單純的硅是非導(dǎo)體，在其中摻 入缺電子元素b 時，構(gòu)成p 型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子為空穴；摻入富電子元素p 時，構(gòu)成n 一型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子為電子。p 。型s i 作為基體材料，兩個n 一型硅 區(qū)構(gòu)成場效應(yīng)管的源極( 接直流電源的負(fù)極) 和漏極( 接直流電源的正極) 。源 極和漏極之間的區(qū)域稱n 溝道區(qū)，1 1 溝道區(qū)上沉積一層金屬電極構(gòu)成柵極。它和 p 型s i 基體材料之間由一層絕緣材料( s i 0 2 或和s i 3 n 4 ) 阻斷。加在柵極與基體 之間的偏置電壓稱柵極電壓v g 。當(dāng)v o = 0 時，n 溝道阻斷，漏極電流i d = 0 。當(dāng) v o 達(dá)到其閥值時，在p 型半導(dǎo)體的n 溝道區(qū)產(chǎn)生雙電層或稱耗盡層，n 一溝道導(dǎo) 通。在源極漏極電壓作用下，電子由源極流向漏極，得電流i d 。耗盡層深度隨 柵極電壓v g 增加而增加，因此，電流i d 的大小由柵極電壓v g 決定。 氣體在柵極上的吸附可以改變柵極電位，柵極電位變化同吸附物質(zhì)的量大小 有關(guān)，檢測柵極電位變化就可以測出吸附物質(zhì)濃度的大小。以不同的材料代替柵 碩士畢業(yè)論文 極，可獲得不同響應(yīng)性能的氣體傳感器【9 - 1 2 1 。以金屬鈀( p d ) 作柵極可制得h 2 氣體場效應(yīng)管傳感器【”】，檢測下限可達(dá)lp p m 。p d m o s f e t 傳感器同時對n h 3 ， c o 等還原性氣體有響應(yīng)。在金屬氧化物膜上涂上2 4 0n m 厚的多孔性銥( i r ) 作柵極可制得n h 3 氣體場效應(yīng)管傳感器，檢測下限1p p m 。以電解質(zhì)溶液作柵極， 可制備離子選擇性場效應(yīng)管傳感器( i s e f t ) 。用有機(jī)膜代替柵極，可制備化學(xué)場 效應(yīng)管傳感器( c h e m f e t ) 。也有人用碳粉摻雜的聚合物來代替柵極獲得了對揮 發(fā)性有機(jī)氣體的靈敏響應(yīng)f 1 4 】。此類傳感器優(yōu)點(diǎn)在于其制造工藝能和半導(dǎo)體制造工 藝融合在一起，便于陣列化、集成化。 1 1 3 壓電石英微天平及表面聲波氣體傳感器 物質(zhì)受機(jī)械力作用在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)：相反，物質(zhì)受電場 作用產(chǎn)生機(jī)械形變的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料?；?學(xué)或生物聲波傳感器中主要使用壓電石英晶體和鈮( 鉭或鎵) 酸鋰單晶。在壓電晶 體上施加交變電場時，晶體產(chǎn)生機(jī)械振動。當(dāng)交變電場頻率等于晶體固有振動頻 率時，振動能量最高，產(chǎn)生共振。晶體的共振頻率除決定于該物質(zhì)本身性質(zhì)外， 還受周圍環(huán)境的影響，如溫度、負(fù)載質(zhì)量、溶液粘密度及介電性質(zhì)等。利用這些 性質(zhì)可開發(fā)出各種用途的物理、化學(xué)和生物聲波傳感器。最常用的氣相化學(xué)聲波 傳感器有體聲波傳感器和表面聲波傳感器。 體聲波傳感器由a 切壓電石英晶片和真空沉積在晶片兩面的一對金屬激勵 電極組成。共振波在兩金屬電極間作剪切振動，共振波能量分布于兩電極之間的 晶體內(nèi)。表面聲波傳感器的激勵電極由兩對叉指電極( i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r ，i d t ) 組成。其中一對i d t 為發(fā)射極，通過逆壓電效應(yīng)激發(fā)聲表面波：另一對為接受極。 通過正壓電效應(yīng)將聲表面波能量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。共振波能量集中在晶體表 面。由于環(huán)境是通過與傳感器相接觸的界面影響其共振波的能量與頻率，因此表 面聲波傳感器具有較高的靈敏度。 體聲波傳感器、表面聲波傳感器的響應(yīng)均為質(zhì)量響應(yīng)，其定量關(guān)系可由索氏 公式導(dǎo)出： ，= 一2 2 6 1 0 “療a m ( 1 3 ) 此式中，m 分別表示由于晶體吸附分析物引起晶體振動頻率和質(zhì)量的 變化：，o 表示晶體的基頻；2 2 6 x 1 0 正是一個與晶體彈性模量和密度有關(guān)的常數(shù)。 用做化學(xué)傳感器時，在其表面修飾一層化學(xué)敏感膜，通過測定敏感膜與目標(biāo) 分子結(jié)合引起的頻率變化進(jìn)行分析。頻移與目標(biāo)物濃度在一定范圍成線性關(guān)系， 并有很高的靈敏度。對體聲波傳感器，檢測下限為n g 級；對表面聲波傳感器， 檢測下限為p g 級。 3 碳粉復(fù)臺物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建和應(yīng)_ l ； j 此類傳感器可通過改變敏感膜涂層來檢測絕大部分氣體，包括常見大氣與環(huán) 境無機(jī)、有機(jī)污染物的監(jiān)測以及水蒸氣、c 0 2 、氫氣、氘氣的檢測 1 5 1 。壓電傳感 器具有很高的靈敏度，涂層主要是各種聚合物和色譜液固定相【”】。 1 1 4 光纖氣體傳感器 光纖傳感器是根據(jù)固定在光纖上的分析試劑( r ) 與環(huán)境中被測定物質(zhì)的作 用對光性質(zhì)( 頻率，強(qiáng)度) 的影響或產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光等而設(shè)計(jì)的，其分析測定的原 理基礎(chǔ)有很多種，包括熒光強(qiáng)度和壽命、極化程度、光譜、波長、吸收和反射。 典型的光纖傳感器是由在光纖探頭上涂敷光指示劑的光纖組成。通過在光纖探頭 上涂敷各種各樣的分析物可以單一檢測某種目標(biāo)分析物或一系列分析物。光分析 中使用的大多數(shù)分析試劑可用作光纖傳感器的敏感試劑。由于光線在光纖中傳播 時其衰減極其微小，光纖傳感器特別適合于遠(yuǎn)程分析。光纖傳感器具有較高的靈 敏度和較低的檢測限?？梢圆扇⑷玖戏肿游皆阡X或硅膠顆粒表面上，然后再 將這些顆粒用聚合物固定在光纖探頭上提高靈敏度 1 6 j ；另一種提高靈敏度的方法 就是把各種低水平的響應(yīng)加合 1 7 。引，該類傳感器優(yōu)點(diǎn)之一就是具有很強(qiáng)的抗電噪 聲的能力。 1 1 5 有機(jī)金屬半導(dǎo)體氣體傳感器和導(dǎo)電聚合物氣體傳感器 對氣體傳感器而言，在一個普通雙線平行電極或叉指電極( 5 - 3 0g m 寬) ，上 沉積一層敏感膜，通過敏感膜與分析物的相互作用進(jìn)行檢測是一種經(jīng)典的測試方 式。最常用的測量物理量有兩個：電阻和電容，也有一些不常用到的量如：阻抗、 電抗、電感、導(dǎo)納、電納、電導(dǎo)、相角、品質(zhì)因數(shù)、損耗因數(shù)等，這些參量多是 用在液相環(huán)境中，而在氣相的應(yīng)用只是少數(shù)【l9 1 。這些量可以通過公式轉(zhuǎn)換，最終 轉(zhuǎn)換為阻抗的形式，因而統(tǒng)稱為阻抗傳感器。以上討論的幾種傳感器中，金屬氧 化物傳感器、有機(jī)金屬半導(dǎo)體傳感器、導(dǎo)電聚合物傳感器皆屬阻抗傳感器的范疇。 該類傳感器有著如下一些優(yōu)勢：體積小、功耗低、響應(yīng)快、靈敏度高、易集成、 易陣歹d 化、制備技術(shù)簡單、易工業(yè)化、測試設(shè)備簡單等。如果以直流電阻為參量， 則只需要一普通萬用電表或簡單電阻測量裝置，測試電路簡單，易于和p c 機(jī)連 接，因此在研究和實(shí)際應(yīng)用中備受青睞。在市場化的傳感器中，大多以金屬氧化 物半導(dǎo)體做敏感材料。例如s n 0 2 、z n o 等，后來為了滿足市場以及科研的需要， 更多的材料被研究作為傳感器敏感材料。例如各利一稀土金屬的氧化物，i n 0 3 、 o a o 、t i 0 2 等；導(dǎo)電聚合物，如導(dǎo)電聚合物聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩等【2 ”2 ，以 及摻雜導(dǎo)電粒予如碳粉等具有核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物；摻有金屬鹽離子的聚合物 電解質(zhì)；經(jīng)過穩(wěn)定劑穩(wěn)定的具有核殼結(jié)構(gòu)的納米有機(jī)金屬半導(dǎo)體，如硫醇1 2 4 ”、 檸檬酸鹽 2 6 1 等穩(wěn)定化的納米金。它們響應(yīng)機(jī)理不同，響應(yīng)特性也有所不同?，F(xiàn)在 對有機(jī)金屬半導(dǎo)體氣體傳感器和導(dǎo)電聚合物氣體傳感器做一下介紹。 碳粉復(fù)臺物氣體傳感器及陣州的構(gòu)建和應(yīng)用 此類傳感器可通過改變敏感膜涂層來檢測絕大部分氣體，包括常見大氣與環(huán) 境無機(jī)、有機(jī)污染物的監(jiān)測蚪及水蒸氣、c 0 2 、氫氣。氘氣的檢測f ”1 。壓電傳感 器具有很高的靈敏度，涂層主要是各種聚合物和色譜液固定相i ”】。 1 14 光纖氣體傳感器 光纖傳感器足根據(jù)固定在光纖上的分析試劑( r ) 與環(huán)境中被測定物質(zhì)舶作 用對光性質(zhì)( 頻率，強(qiáng)度) 的影響或產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光等i 忻設(shè)計(jì)的，其分析測定的原 理基礎(chǔ)有很多種，包括熒光強(qiáng)度和壽命、極化程度、光譜、波長、吸收和反射。 典型的光纖傳感器是由在光纖探頭上涂敷光指示劑的光纖組成。通過在光纖探頭 上涂敷各種各樣的分析物可叭單一檢測某種目標(biāo)分析物或一系列分析物。光分析 中使用的大多數(shù)分析試劑可用作光纖傳感器的敏感試劑。由于光線存光纖中傳播 時其衰減極其微小，光纖傳感器特別適合于遠(yuǎn)程分析。光纖傳感器具有較高的靈 敏度和較低的撿捌限?？梢圆扇⑷玖戏肿游皆阡X或硅膠顆粒表面上，然后再 將這些顆粒用聚合物固定在光纖探頭上提高靈敏度”6 1 ；另一種提高靈敏度的方法 就是把各種低水平的響應(yīng)加臺 1 15 1 ，該類傳感器優(yōu)點(diǎn)之一就是具有很強(qiáng)的抗電噪 聲的能力。 1 1 5 有機(jī)金屬半導(dǎo)體氣體傳感器和導(dǎo)電聚合物氣體傳感器 對氣體傳感器而言，在一個普通雙線平行電極或叉指電極( 5 - 3 0g m 寬) ，上 沉積一層敏感膜，通過敏感膜與分析物的相互作用進(jìn)行檢測是一種經(jīng)典的測試力 式。最常用的測量物理量有兩個：電阻和電容，也有一些不常用到的量如：阻抗、 電抗、電感、導(dǎo)納、電納、電導(dǎo)、相角、品質(zhì)因數(shù)、損耗因數(shù)等，這些參量多是 用在液相環(huán)境中，而在氣相的應(yīng)用只是少數(shù)”。這些量可以通過公式轉(zhuǎn)換，最終 轉(zhuǎn)換為阻抗的形式，因而統(tǒng)稱為阻抗傳感器，以上討論的幾種傳感器中，金屬氧 化物傳感器、有機(jī)金屬半導(dǎo)體傳感器、導(dǎo)電聚合物傳感器皆屬阻抗傳感辨的范疇。 該類傳感器有著如下一些優(yōu)勢；體積小、功耗低、響應(yīng)快、靈敏度高、易集成、 易陣列化、制各技術(shù)簡單、易工業(yè)化、測試設(shè)備簡單等。如果以直流電阻為參量， 燃h 需要一普通萬用電表或簡單電阻測量裝黃，測試電路簡單，易于和p c 機(jī)連 接，聞此在研究和實(shí)際應(yīng)用中備受青睞。在市場化的傳感器中，大多以金屬氧化 物半導(dǎo)體做敏感材料。例如s n 0 2 、z n o 等，后來為了滿足市場以及科研的需要， 史多的材料被研究作為傳感器敏感材料。例如各種稀土金屬的氧化物，i n 2 0 3 、 g a o 、t i 0 2 等；導(dǎo)電聚合物，如導(dǎo)電聚臺物聚乙炔、聚毗略、聚囔吩等2 ”，以 及摻雜導(dǎo)電粒子如碳粉等具有核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物；摻有金屬鹽離子的聚合物 電解質(zhì)；經(jīng)過穩(wěn)定劑穩(wěn)定的具有核殼結(jié)構(gòu)的納米有機(jī)金屬半導(dǎo)體，如硫醇“”、 檸檬酸鹽 2 6 1 等穩(wěn)定化的納米金。它們響戍機(jī)理不同，響應(yīng)特性也有所不同?，F(xiàn)在 對有機(jī)金屬半導(dǎo)體氣體傳感器和導(dǎo)電聚合物氣體傳感器做下介紹。 對有機(jī)金屬半導(dǎo)體氣體傳感器和導(dǎo)電聚合物氣體傳感器做一下介紹n 碩士畢業(yè)論文 有機(jī)金屬半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指在普通電極或叉指電極上沉積一層有機(jī) 穩(wěn)定劑穩(wěn)定的金屬納米粒子而形成的傳感器。對揮發(fā)性有機(jī)氣體具有很高的靈敏 度( 可達(dá)幾個p p m 2 7 1 ) 和較高的穩(wěn)定性，因而受到廣泛的關(guān)注【2 8 啦】。沉積的這層 金屬納米粒子近年來研究的比較多的是硫醇穩(wěn)定的金納米粒子【3 3 _ 34 1 。此種核殼 結(jié)構(gòu)的納米粒子形成的敏感膜在吸附被測試氣體后，會膨脹，從而引起電阻上升。 不同的物質(zhì)響應(yīng)能力不同，這主要是分析物在殼層物質(zhì)中的分配系數(shù)不同引起 的。因此改變殼層結(jié)構(gòu)可以改變敏感膜的響應(yīng)能力，z h a n g 和e v a n s 等采用末端 羥基和甲基的硫醇單分子包裹的金納米粒子作為敏感膜用于v o c s 分析，得到完 全不同的兩種響應(yīng)模式【3 5 3 6 1 。這和色譜中分離不同的物質(zhì)需要換極性不同的柱子 是非常相似的。 導(dǎo)電聚合物傳感器和有機(jī)金屬半導(dǎo)體傳感器相似，也是在普通電極或叉指電 極上沉積一層導(dǎo)電聚合物作敏感膜而形成的傳感器。導(dǎo)電聚合物有兩種類型：本 征導(dǎo)電高分子，如聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺，為了提高導(dǎo)電性，一般在 導(dǎo)電聚合物里摻雜一些碘【3 7 1 和鹽類如磺酸鈉鹽【38 1 、鹽酸39 1 、丙烯酸等物質(zhì)。 此類物質(zhì)優(yōu)點(diǎn)是可以通過化學(xué)和電化學(xué)聚合產(chǎn)生許多類型聚合物；靈敏度可通過 改變聚合條件和反離子電荷補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可以兼容生物材料，制備過程可通過電化 學(xué)沉積和溶解后再沉積等手段完成。此類物質(zhì)缺點(diǎn)在于易受濕度干擾，操作環(huán)境 要求嚴(yán)格。對于本征導(dǎo)電高分子，其響應(yīng)機(jī)理為分子本身的偶極作用和自由電子 的傳輸，摻雜鹽類或碘等物質(zhì)則是增加物質(zhì)的導(dǎo)電性。另一種類型為摻雜導(dǎo)電顆 粒的絕緣聚合物的復(fù)合物，如在一般高分子中摻雜碳粉【4 卜47 1 、本征導(dǎo)電聚合物【4 8 1 等，也能獲得低阻抗響應(yīng)性能良好的敏感膜。對于此類傳感器，其響應(yīng)機(jī)理則為 敏感膜膨脹引起導(dǎo)電粒子之間距離改變而導(dǎo)致電阻的改變。這一點(diǎn)和有機(jī)金屬半 導(dǎo)體敏感膜的響應(yīng)機(jī)理是相同的，只不過核殼材料不同而已。 導(dǎo)體微粒摻雜的復(fù)合物可以獲得較大的介電常數(shù)【4 9 】和可調(diào)的電阻率，因而被 很多研究者用作電容器的介電材料和阻抗傳感器的敏感材料。其中，因?yàn)樘挤鄣?穩(wěn)定性和原料來源的便宜性加之聚合物的選擇的廣泛性而使得碳粉摻雜的聚合 物復(fù)合物被廣泛采用【4 1 4 7 ，5 0 。5 1 1 。在這個敏感膜結(jié)構(gòu)中，碳粉的作用從電阻的角度 看，是傳輸電子；而從產(chǎn)生高介電常數(shù)的角度看則是提供極化子；碳粉周圍的絕 緣聚合物則提供對目標(biāo)分析物的選擇性。除了碳粉外，聚合物摻雜的導(dǎo)電物質(zhì)還 有本征導(dǎo)電聚合物【4 引，但遠(yuǎn)不及碳粉應(yīng)用的廣泛。 對碳粉摻雜的聚合物傳感器，國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廣泛深入的研究。 c a l i f o n i a 科技研究所的m a r kc l o n e r g a n 等發(fā)表了第一篇關(guān)于碳粉一聚合物氣體 傳感器的文章4 5 1 ，這篇文章考察了碳粉含量對傳感器響應(yīng)性能的關(guān)系，認(rèn)為傳感 器的相對靈敏度與碳粉含量成反比。此外，通過采用不同的聚合物作敏感膜材料， 測試了其作為傳感器陣列的可能性。該實(shí)驗(yàn)室的其他人員通過聚合物的混合p 2 5 碳粉復(fù)合物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建和應(yīng)用 在聚合物中添加增塑劑【5 3 1 采用手性聚合物5 0 1 等手段制備了許多選擇性不同的傳 感器，而且還獲得了僅對酸性物質(zhì)敏感而對水和非酸性物質(zhì)不敏感的碳粉復(fù)合物 傳感器【“l(fā) 。膜厚同響應(yīng)時間的關(guān)系 4 6 1 ，溫度和濕度對傳感器的影響1 4 6 1 ，傳感器 的響應(yīng)機(jī)理【4 5 ，5 5 1 以及一種由電荷因素引起的特殊響應(yīng)【5 4 1 也都被這個實(shí)驗(yàn)室考察 過。該實(shí)驗(yàn)室更重要的工作是對傳感器陣列的研究，利用碳粉復(fù)合物傳感器陣列 對單組分【4 5 5 5 1 、混合組分4 5 ，5 2 - 5 3 , 5 5 1 以及性質(zhì)相似組分4 7 1 進(jìn)行了分類鑒別，并得 到了一個只與目標(biāo)檢測物和傳感器敏感膜特性有關(guān)，可用作對目標(biāo)分析物進(jìn)行定 性鑒別的物理量【5 4 】。b r e t tj d o l e m a n 對三種化學(xué)阻抗傳感器陣列：s n 0 2 陣列傳 感器、本征導(dǎo)電聚合物傳感器陣列、碳粉復(fù)合物傳感器陣列的性能進(jìn)行了比較【4 “， 認(rèn)為碳粉復(fù)合物陣列傳感器比其他兩種擁有更強(qiáng)的分析能力。此外，中山大學(xué)的 胡繼民等人采用低碳粉含量( 3 5 、v t ) 的聚氨酯獲得了具有廣泛響應(yīng)能力的敏感 膜5 “。 導(dǎo)電顆粒摻雜的復(fù)合物除了具有阻抗敏感特性乞外還有一個特性，那就是具 有非常大的介電常數(shù)。k u n d u 和c h a k r a v o r t y 發(fā)現(xiàn)，將2 0 8n m 的銀納米粒子在 低分散系數(shù)情況下分散到鈦鋯酸鉛( p z t ) 里可獲得很大的介電常數(shù)1 49 1 ，更小的 粒子雖然擁有更高的分散度，但只能獲得較低的介電常數(shù)。導(dǎo)電粒子的大小可以 調(diào)節(jié)復(fù)合物的介電常數(shù)，它被很多研究者作為介電材料，而用之作為氣體傳感器 敏感膜測定電容響應(yīng)的報道卻很少見。氣體化學(xué)電容傳感器是采用聚合物膜作敏 感膜依據(jù)目標(biāo)分析物介電常數(shù)大小測定其響應(yīng)，而用導(dǎo)電粒子摻雜復(fù)合物膜作為 敏感膜則是一個挑戰(zhàn)。本實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)做過幾個納米大小的金納米粒子做氣相傳感 器涂層測定對有機(jī)氣體和水的電容響應(yīng)，可惜它只對介電常數(shù)較大的水有響應(yīng)， 而對有機(jī)氣體卻無響應(yīng)。 1 1 6 傳感器陣列 傳感器陣列是一種能夠?qū)δ繕?biāo)分析物進(jìn)彳亍模式識別或指紋識別的檢測器件， 它和化學(xué)計(jì)量學(xué)的手段結(jié)合用以仿生動物的嗅覺器官，從而制造出一種新的氣體 檢測裝置一電子鼻。 哺乳動物的鼻子是一種非常靈敏也非常復(fù)雜的嗅覺器官，如人類嗅覺能夠識 別和區(qū)分含量低至1 0 1 2 級的易揮發(fā)不同分子結(jié)構(gòu)的化合物，因此在化妝品、食品 飲料和環(huán)境控制等許多領(lǐng)域也依靠人的感覺進(jìn)行測試；嗅覺非常發(fā)達(dá)的警犬則是 警察破案經(jīng)常依靠的工具。但在一些工作環(huán)境惡劣的場所，例如毒性較大的條件 下，哺乳動物的嗅覺器官則極大受到限制，而仿照動物鼻子研制出來的電子鼻卻 可以超越這種限制，輕而易舉的完成任務(wù)。因此，仿生學(xué)電子鼻的研究在國內(nèi)外 引起廣泛的興趣。 電子鼻是由化學(xué)傳感器陣列組成的電子儀器，通過傳感器的部分選擇性和系 碩士畢業(yè)論文 統(tǒng)的模式識別功能，來識別簡單或復(fù)雜氣味。 電子鼻的分析對象，可分為三類：有毒氣體，揮發(fā)性有機(jī)物和與食品有關(guān)的 物質(zhì)。在這三類樣品中，前兩者是對入體有害，不可能靠人或動物的鼻子去分析 鑒別；后一種則是人們的日常生活食品，雖然可以用人鑒別，例如高級品酒師， 或是化妝品高級鑒定師，但用來迸行常量分析卻并不經(jīng)濟(jì)。而采用諸如氣相色譜、 高效液相色譜、質(zhì)譜、核磁等儀器檢測又需要繁瑣的樣品前處理過程，極不方便 也不經(jīng)濟(jì)。而電子鼻本身的特點(diǎn)使它可以避開這些劣勢，輕松的完成任務(wù)。 電子鼻的優(yōu)點(diǎn)： 電子鼻可以幾小時、幾天、甚至幾個月的連續(xù)實(shí)時檢測環(huán)境的氣味狀況，特 別適用于工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境檢測。 復(fù)雜環(huán)境中個別分子濃度的定量檢測，可用于檢測生物自然鼻不能嗅感的c o 等有毒氣體。 對空氣中混入的可燃性氣體、有機(jī)揮發(fā)物和有毒氣體進(jìn)行全部參數(shù)的檢測。 較之一般的檢測器，電子鼻還能夠進(jìn)行氣味鑒別，不需要破壞樣品，也不需 要樣品前處理過程。 電子鼻產(chǎn)品體積小，攜帶方便，可隨時隨地取樣檢測。 電子鼻的結(jié)構(gòu)一般可分為三部分：氣味取樣操作器、氣體傳感陣列和信號處 理系統(tǒng)三種功能器件組成。 在電子鼻系統(tǒng)中，氣體傳感器陣列是電子鼻的核心部分。按照膜材料不同， 可作如下劃分，如表1 2 所示。 對傳感器的膜材料，有很多種類，在作傳感器陣列時，可以選擇不同類型材 料而構(gòu)成不同選擇性和不同特性的敏感膜【5 7 西0 1 。但其種類再多，也是有限的，而 且并不是每一種膜的性能都很好。另外，開發(fā)一種新的敏感膜往往要花費(fèi)很大的 人力和物力。因此，很多研究者提出一些其它的方法來彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。如在s n 0 2 傳感器陣列中，就是通過調(diào)節(jié)其中一些微組分的變化來獲得不同選擇性的。 d o l e m a n 選用性能良好的聚合物按不同比例混合，得到選擇性不同的碳粉復(fù)合物 傳感器陣列【5 2 】；k o s c h o 則是在響應(yīng)聚合物之間添加一定比例的增塑劑以獲得選 擇性不同的碳粉復(fù)合物傳感器陣列1 5 ”。 另外，鑒于每一種傳感器類型總是有著某種不可避免的缺陷，如核殼結(jié)構(gòu)阻 抗型傳感器對水非常敏感，易受濕度影響。因此，自從上世紀(jì)9 0 年代以來，許 多研究者提出由混合型傳感陣列來構(gòu)成電子鼻。代表性的產(chǎn)品有a l p h am o s 的 f o x 系統(tǒng)，它是一個由二氧化錫、導(dǎo)電聚合物和t s m 壓電石英晶體三種類型材料 構(gòu)成的一個混合型電子鼻 6 1 】。e n o s e5 0 0 0 則是由e v e 公司生產(chǎn)的由金屬氧化物、 導(dǎo)電聚合物和t s m 壓電石英晶體三種類型材料構(gòu)成的一個混合型電子鼻1 6 引。這 些電子鼻產(chǎn)品將半導(dǎo)體傳感器對水的不敏感性、能夠檢測一些非極性分子的優(yōu)勢 7 碳粉復(fù)合物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建取l 應(yīng)_ j 和導(dǎo)電聚合物對極性聚合物的響應(yīng)優(yōu)勢結(jié)合起來，構(gòu)成混合型傳感器陣列。其傳 感器數(shù)目一般由十幾個到幾十個，主要是依據(jù)食品質(zhì)量好壞產(chǎn)生的氣味差別來檢 測某一種食品的可用性。 表1 2 代表性的化學(xué)敏盛材料 材料類型舉例 離子晶體 分子晶體 自組裝單層結(jié)構(gòu) l b 薄膜 超分子結(jié)構(gòu) 高分子膜( 有時與導(dǎo) 電物質(zhì)摻雜) 電子型導(dǎo)體：s n 0 2 ，z n o ，t i 0 2 ，i n 2 0 5 混合型導(dǎo)體：g a 2 0 3 ，s i t i 0 3 ，l a l 。s rc 0 1 - y n i 0 3 ， 常用鈣鈦礦型材料； 離子裂導(dǎo)體：z r 0 2 ，l a f 3 ，c e 0 2 ，c a f 2 ，p a 1 2 0 3 ； 酞菁( p b p c ，l u p e ) ，卟啉； 烯烴硫醇，二烷基硫醚，硅烷，羧酸； 酞菁，卟啉，環(huán)己羧氨酸； 沸石，間苯二酚，杯芳烴，環(huán)糊精，冠乙醚，環(huán)羧氨酸； 聚烯族烴，聚吡咯，聚硅氧烷，聚亞胺酯，聚碳氟化合物，聚 硫醚，聚噻吩等。 傳感器陣列和模式識別的關(guān)系可以這樣比方：傳感器陣列是電子鼻的心臟， 而模式識別方法則是電子鼻的眼睛。模式識別主要依靠化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，例如， k 最近鄰法( k n n ) ，主成份回歸( p c r ) ，偏最小二乘( p l s ) ，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ( a n n ) 等方法【6 3 6 4 】。 自從1 9 8 2 年6h d o d d 教授發(fā)表第一篇電子鼻的文章以來 6 “，電子鼻的研 究引起廣泛的興趣。世界很多國家和地區(qū)如英國、美國、德國、意大利和臺灣等 在這方面都有很高的技術(shù)水平，到現(xiàn)在為止，已經(jīng)有很多種來自于這些國家地區(qū) 的電子鼻產(chǎn)品問世。如美國科學(xué)家發(fā)明的傳感器可用于檢測肺癌、非典，通過病 人呼出氣味而診斷病人的病情，并開出相應(yīng)的藥方。 德國產(chǎn)品p e n 2 型電子鼻是一種用來檢測氣體和蒸汽的小巧、快捷、高效的 檢測系統(tǒng)。它經(jīng)過訓(xùn)練后可以很快辨別單一化合物或者混合氣體。通過不同的識 別計(jì)算系統(tǒng)可以擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍其應(yīng)用主要包括： 過程控制：食品生產(chǎn)中添加劑的用量，工業(yè)清洗過程的控制，發(fā)酵過程控制， 自然氣體中人造氣體的量，食品工業(yè)中包裝物的生產(chǎn)控制，油榨或燒烤的過程控 制。 質(zhì)量控制：油脂的惡臭，食品的新鮮度，包裝物的外散氣體，聚合物的溶劑 殘留物，風(fēng)味的退化，藥物氣體，樹脂的特點(diǎn)，飲料的香氣等。 環(huán)境安全控制：廢水純化過程的氣味，肥料氣味，過濾過程管理，工作室中 碩士畢業(yè)論文 空氣中的有機(jī)溶劑，細(xì)菌辨別，泄露控制，燃燒控制。 臺灣工業(yè)研究院生化研究中心林玉娟博士研究的電子鼻可用于檢測尿毒癥和 肝硬化，檢測原理非常簡單，就是測定患者呼氣中的二甲基胺和三甲基胺( 尿毒 癥患者) ，二甲基硫( 肝硬化患者) 【6 6 1 。 而目前在我國電子鼻的研究只處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，而且研究的比較少。而 以后的科學(xué)發(fā)展將是仿生的世紀(jì)。因此，對其進(jìn)行探討是非常有必要的。 1 2 傳感器的發(fā)展趨勢 單一選擇性傳感器，是只對某一種特定物質(zhì)有響應(yīng)的傳感器。此種傳感器具 有高選擇性，研究方法簡便，數(shù)據(jù)處理容易，足以勝任對一些精度要求不高、簡 單物質(zhì)或是特定物質(zhì)的檢驗(yàn)，因此非常易于市場化，一直受到研究者、生產(chǎn)廠家 和用戶的廣泛關(guān)注。例如用于有毒、可燃性氣體( 水煤氣、h 2 s 、n h 3 、c o ) 測 定的s n 0 2 傳感器、氫離子選擇性電極、一次性生物傳感器等。 然而給每一種物質(zhì)都尋找一個特征傳感器是非常困難的，可以說是不可能的， 實(shí)際情況是通常一種傳感器會有對多種物質(zhì)有響應(yīng)，且環(huán)境中總是或多或少的存 在一些干擾物質(zhì)例如水、c 0 2 、及一些揮發(fā)性有機(jī)氣體。對實(shí)際的分析測定來說， 消除這些干擾是非常有必要的。例如空氣中的水蒸氣對許多物質(zhì)的測定都存在干 擾，而排除這種干擾，是非常繁瑣的。例如在姚守拙等編著的壓電化學(xué)生物傳 感里，就列出了八種除濕方法以適應(yīng)不同的測定要求，如干燥法、分離柱法、 濾膜法、n a t i o n 法、雙晶片法、混頻電路法、滯留法、標(biāo)準(zhǔn)氣流法【l “。 在測定之前除去干擾氣體，使測定過程交得繁瑣，效率低下，增加測定成本； 而且，在除干擾過程中不可避免的除去一部分分析樣品，因而產(chǎn)生測定誤差。在 微量分析中，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。不僅如此，如果干擾物質(zhì)與被測性質(zhì)相似，則 除去它們難度會更大。因此，需要一種更為合理的方法來測定復(fù)雜成分。 現(xiàn)在，復(fù)雜成分的分析是對樣品進(jìn)行預(yù)處理后依靠色譜儀對其進(jìn)行分離然后 鑒定的，例如石油組分的分析，食品添加劑的分析等。生活中的食品質(zhì)量是否可 靠，蔬菜中農(nóng)藥殘留是否超標(biāo)這類問題當(dāng)然也可以采用色譜手段解決。但測定程 序繁瑣、費(fèi)時，成本也很高，而且這種儀器也很昂貴，不宜普及。新出現(xiàn)的電子 鼻則可以有效解決這一難題，它是依據(jù)目標(biāo)物質(zhì)氣味鑒定其品質(zhì)差別。這種儀器 操作簡單、測定快速，幾乎不需要測定成本，而且價格便宜。c y a n os c i e n c e 以 化學(xué)阻抗傳感器為纂礎(chǔ)的電子鼻c y a n o 一3 2 0 售價只有1 0 0 0 - 2 0 0 0 美元，其作用主 要是檢測食品質(zhì)量。隨著市場的逐漸擴(kuò)大，這種電子鼻會愈加便宜，屆時，即便 是普通消費(fèi)者也可以購買得起。 9 碳粉復(fù)合物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建承i 應(yīng)圳 1 3 本文構(gòu)想 碳粉摻雜的聚合物傳感器由于其獨(dú)特的優(yōu)越性而受到科研工作者的廣泛關(guān) 注，迄今為止，已有此類的電子鼻產(chǎn)品問世。然而，通常一個傳感器只檢測一個 物理量，信息量少，本試驗(yàn)根據(jù)不同的電阻電容響應(yīng)機(jī)理擬同時測定電阻電容兩 個物理量，獲得多維信息，提高傳感器的分類和鑒別能力。首先以甲苯、水蒸氣 作為目標(biāo)分析物通過考察電極間距、敏感膜厚度、敏感膜組成、頻率對c b - p e c h ( p o l y e p i c h l o r o h y d r e n e ) 傳感器電阻電容響應(yīng)的影響，綜合了各種響應(yīng)因子，得 出最優(yōu)傳感器的條件；其次應(yīng)用此傳感器測試v o c s 及濕度對傳感器電阻電容響 應(yīng)的影響；最后，構(gòu)建一個傳感器陣列，運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法測試其對不同有機(jī) 分析物的分類能力及對混合物的分析能力。 1 0 碩士畢業(yè)論文 第2 章碳粉摻雜聚合物傳感器的構(gòu)建及性能 傳感器響應(yīng)模式受很多因素的制約，尤其是在測定多個物理量時，因此對其 進(jìn)行優(yōu)化，尋找出最佳條件是非常有必要的。本章考察了影響傳感器電阻電容響 應(yīng)的四個因素：敏感膜厚度、電極間距、敏感膜碳粉含量、頻率，尋找出最佳響 應(yīng)條件，構(gòu)建了一個最優(yōu)傳感器。同時也測定了碳粉吸附在傳感器響應(yīng)中的貢獻(xiàn)。 2 1 實(shí)驗(yàn)部分 2 1 1 試劑 聚表氯醇( p o l y e p i c h l o f o h y d r i n ，p e c h ) ，碳粉( 平均直徑2 2 5p , m ，最大直徑 不超過2 0g m ) 均購自a l d r i c h 公司。有機(jī)溶劑甲苯為分析純，從試劑公司購得， 使用前未經(jīng)純化。實(shí)驗(yàn)中測濕度影響所用的水為二次蒸餾水。其他洗滌用水則為 一般蒸餾水。 2 1 2 傳感器制備 實(shí)驗(yàn)中所用傳感器為鍍金電極。依電極問距不同分為六種規(guī)格，4 0 0 ，1 5 0 ， 1 0 0 ，o 5 0 ，o 2 5 ，o 2 0m m 。其中，電極間距為4 0 0 ，1 5 0m m 的電極其基底為 氮化硅，各有一對平行電極，電極寬為1 0 0m m ，其外形如圖2 1 ( a ) 所示，由 叉指間距為1 5 蚌m 的叉指電極上截取下來的，其涂敷有效面積分別為4 0 0m m 1 0 0m m ，1 5 0m m 1 0 0m m 。其余電極基底為電路板塑料，為國防科學(xué)技術(shù)大 學(xué)加工的鍍金叉指電極。其外形如圖2 1 ( b ) 所示，對應(yīng)于間距為1 o o ，o 5 0 ， o 2 5 ，o 2 0 m m ，其相應(yīng)電極對數(shù)為2 ，3 ，4 ，5 ，電極寬度為o 2 0 m m 。涂敷有效 面積分別為1 o o x1 0 0 ，0 5 0 1 0 0 ，0 2 5 1 0 0 ，o 2 0 1 0 0m m m m 。 筐多 國 ( a )( b ) 圖2 1 試驗(yàn)中所用到的傳感器模型 ( a ) 平行電極；( b ) 叉指電極 碳粉復(fù)合物氣體傳感器及陣列的構(gòu)建和應(yīng)_ l _ j 傳感器膜材料為碳粉與聚表氯醇按一定比例的混合物。其制作工藝為：先將 p e c h 溶解在甲苯中配制成2 0m g m l 的溶液。取所需體積與一定量碳粉混合， 得到一定碳粉含量的混合物，超聲波攪拌l o 分鐘制得懸浮液。用專用噴槍將所 制得懸浮液噴到傳感器表面，形成一層均勻的復(fù)合物膜。本試驗(yàn)采取兩種噴涂方 式：一種為傳感器固定噴槍亦固定噴涂法，噴涂過程中用精密數(shù)字萬用表監(jiān)測電 阻變化，此法適應(yīng)于制備敏感膜厚度、碳粉摻雜水平為影響因素的傳感器；另一 種為諸傳感器同速旋轉(zhuǎn)而噴槍固定法，此法能保證各傳感器一致的膜厚，以考察 電極寬度的影響。除了考察碳粉摻雜水平對傳感器信噪比的影響時碳粉質(zhì)量百分 含量變化之外，其余