低成本、长寿命的氧气传感器的研发

发布时间：2020-04-16 01:04

【摘要】：近年来,随着人们对个人健康的重视,移动健康设备正逐渐进入人们的生活,比如检测呼吸气体的便携式新陈代谢仪。呼吸中的氧气浓度不仅因人而异,也因时而异,它可以用于测量最大摄氧量、新陈代谢率等。最大摄氧量的测量可以用于心肺适能、有氧能力的评估,而新陈代谢率的测量可以用于体重管理等领域。因此呼吸中的氧气浓度检测将有助于人们对自己的健康进行管理。目前市场上的新陈代谢仪中,氧气传感器的检测原理主要有电化学法、比色法及荧光法。电化学方法最为常用,体积小,数据可靠,但是需要定期校正,定期更换传感器,而且价格高。比色氧气传感器无需用户校准,价格便宜,体积小巧,易于阵列化构建多传感器,但是传感芯片寿命短,多为一次性使用,因此长期使用成本较高。基于此,本论文致力于研发适用于移动健康设备的低成本氧气传感器,并侧重于改善传感器的寿命,主要内容如下:1.带储液槽的薄层电化学氧气传感器为了获得较长的传感器寿命,我们选择恒电位式的传感器原理用于氧气的检测,并且使用了无消耗的平板印刷碳电极及可补充的储液槽设计。水分蒸发是水溶液电解液不可避免的问题,储液槽设计便是为了方便补充传感器的水分蒸发。碳电极具有电化学窗口宽,背景电流低、稳定性好、制备工艺成熟、价格便宜、体积小巧等优点。使用平板印刷碳电极可以避免阳极消耗带来的寿命短问题,也使传感器价格降低。为了获得较快的响应速度,我们设计了薄层电解液结构使氧气可以较快地扩散至电极发生反应。该传感器结构简单,价格便宜,寿命长,传感器测量范围13-24%O2,分辨率0.5%O2,△5%O2的响应时间为14s,可以用于呼吸气体中氧气浓度的实时检测(深呼吸)。2.基于光致报纸黄化的氧气传感器空气中含有20.9%O2,因此传统的氧气比色传感器芯片需要密封隔氧保存。一旦开封,空气中的氧气接触会大大缩短其使用寿命。而选取光致氧化变色材料作为气敏材料,可以避免这个问题。报纸含有光致氧化变色材料木质素,在紫外线照射下,报纸迅速黄化可以用于氧气的检测,而在室内含氧环境下,报纸可以稳定存放很长一段时间,这提供了一种无需隔氧保存氧气传感器的方法。基于报纸黄化我们制备了比色传感器及荧光传感器用于氧气检测。实验结果表明,报纸在无光含氧气氛中放置8个月之后其灵敏度没有明显变化,表现出较好的稳定性。我们还研究了两个传感器的其他性能,包括校准曲线,交叉敏感性及一致性,传感器具有较好的抗干扰性和一致性。我们也观察了比色传感器与荧光传感器的关系,发现二者的灵敏度具有相关性,且与报纸中的木质素含量相关。3.光控阵列型氧气传感器及其长寿命比色传感器一般是一次性使用,这限制了它们在连续检测领域的应用。我们提出了一种类似数据存储设备的方法,来提高传感器的使用次数,也就是使用寿命。我们利用手机屏幕作为易配置的光阵列光源,选择菁染料作为氧气敏感材料。通过依次打开手机屏幕不同位置的光,依次控制菁染料薄膜上不同位置的氧化反应,每个位置的反应都可以用于氧气测量,从而可以多次使用菁染料薄膜。其寿命取决于光阵列单元面积,面积越小,使用次数越多。通过构建光控传感器阵列,我们验证了该方法的可行性,每个阵列单元的使用不会影响其他阵列单元,且每个阵列单元的灵敏度具有较好的一致性。因此通过该方法可以使传感器的使用寿命得到提高。我们也测量了传感器的其他性能,包括校准曲线,交叉敏感性,湿度影响及稳定性,结果表明传感器抗干扰性好且可以在含氧黑暗环境中稳定存储。受限于屏幕最大亮度及相机的噪音水平,光阵列单元的面积会影响传感器的灵敏度及噪音水平,从而影响信噪比。面积越大,信噪比越高。检测时间的加长会增大颜色变化程度,因此对于给定的信噪比,所需的最小阵列单元面积与检测时间成反比。通过加长检测时间,可以减小达到合适信噪比所需的阵列单元面积,从而可以最大化延长传感器的使用寿命。
【图文】：

系统结构图,系统结构

图１－１移动健康系统结构２逡逑１逡逑

系统结构,测量传感器,血糖

图１－２血糖测量传感器
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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