基于QCM的石墨烯薄膜湿敏检测系统及其传感特性研究
发布时间：2021-10-09 09:41
湿度作为一个物理量在许多领域都有着重要影响,健康的生活和安全的社会生产都离不开对湿度的测量,高性能的湿度传感器一直是科学研究的热点。QCM传感器是一种新型的质量敏感器件,以石英晶体为换能器将表面的质量信号转换为频率信号输出,它具有灵敏度高、实时数字频率输出、稳定性好、应用成本低等优点。目前QCM在湿度检测领域的应用研究已经成为学者们关注的焦点。为实现基于QCM的氧化石墨烯（GO）薄膜湿敏检测系统及其传感特性研究,本文主要开展了以下研究工作:探讨石英晶体的基本理论并对比各种常用的QCM信号检测方法,综合考虑各种因素后决定用普通振荡电路作为QCM的驱动电路。考虑到QCM因为温度、压强及自身老化带来的频率漂移,采用差频电路来降低这些因素的影响。设计四阶巴特沃斯低通滤波电路以减小高次谐波对QCM输出频率的干扰,在完成硬件电路设计的同时基于STM32与LabVIEW设计下位机与上位机程序,最终完成QCM信号检测平台的设计。基于GO的湿敏特性,采用静电自组装技术与原位聚合方法制备PANI/GO、PDDA/GO、PANI/SnO2/GO薄膜型QCM湿度传感器,实现聚合物与金属氧...
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用湿度检测方法
中国石油大学（华东）工程硕士学位论文5具有优异的物理和电学性能，如高比表面积、高导热性、高导电性、高稳定性等，受到国内外的广泛关注和研究，特别是在湿敏领域展现了极大的应用潜力。由石墨烯获得的衍生物如氧化石墨烯以及还原氧化石墨烯(Reducedgrapheneoxide,RGO)因为具有更优异的性能也被广泛用于湿敏传感器研究[17,18]。ChenglongZhao等[19]报道了一种基于GO的CMOS指叉型电容式湿度传感器。图1-2(a)-(f)为传感器的制备方法以及湿敏性能测试结果，将GO在去离子水中超声振荡得到GO溶液，在传感器件的感应区滴涂GO溶液，然后将器件置于50℃环境下干燥，同时以相同方法制备了以聚酰亚胺为敏感材料的传感器件。通过测试对比两种传感器的湿敏特性发现，GO湿敏薄膜的厚度更小(1μm)，以GO为敏感材料的传感器件有更高的灵敏度(-9.5fF/％RH)，更快的响应时间(5s)，更小的湿滞(＜4%RH)，以及极好的重复性和稳定性，为GO制备高性能的湿度传感器提供了实验支持。图1-2基于GO的电容式湿度传感器：(a)GO溶液制备；(b)传感器结构及制备过程；(c)不同材料的湿敏性能；(d)传感器的响应时间(e)传感器的湿滞(f)重复性和稳定性[19]Fig.1-2GO-basedcapacitivehumiditysensor:(a)preparationofGOsolution,(b)sensorstructureandpreparationprocess,(c)humiditysensitiveperformanceofdifferentmaterials,(d)responsetimeofsensor,(e)humidityhysteresisofsensor,(f)repeatabilityandstability[19]YouqingWang等[20]报道了一种基于GO涂覆的光纤湿度传感器。如图1-3(a)-(d)所
第1章绪论6示，作者将GO涂覆在倾斜布拉格光纤光栅上制备湿度传感器件，在10%~80%RH范围内测试包层模振荡的幅度变化。同时也检测了传感器的重复性，5次重复性测试数据在各个湿度点都基本吻合，另外分别测试了30%RH和70%RH下的稳定性，发现传感器具有较好的稳定性。图1-3基于GO的光纤湿度传感器：(a)GO包覆的布拉格光栅和实验装置；(b)10%~80%RH下的包层模振荡幅度变化；(c)五次重复性实验的灵敏度误差；(d)传感器的稳定性测试结果[20]Fig.1-3GO-basedfiberoptichumiditysensor:(a)tiltedfiberbragggratingcoatedwithGOandexperimentalsetup,(b)theamplitudes’changeofthecladdingmoderesonanceagainstwiththeRHchangingfrom10%to80%RH,(c)thesensitivityerrorsoffiverepetitiveexperiments,(d)thetestresultofsensorstability[20]AbdullahilKafy等[21]报道了基于纤维素纳米晶体/GO复合薄膜的电容式湿度传感器。如图1-4(a)所示，使用简单的混合方法制备二元复合材料，将复合材料置于烘箱中60℃下干燥得到固体薄膜，然后在一个宽的湿度范围内测试材料的湿敏特性。如图1-4(b)-(e)所示，作者分别测试了纯纤维素纳米晶体和不同复合比材料的电容随湿度的变化情况，发现GO的加入改善了纤维素纳米晶体的湿敏性能，使其具有更高的灵敏度；同时作者也给出传感器的湿滞回线，发现解吸附曲线只是略微滞后于吸附曲线，说明传感器具有较小的湿滞；测试了温度对传感器湿敏性能的影响，发现传感器在不同温度下均对湿度响应灵敏；对比所制备传感器与商用湿度传感器的性能，两种传感器表现出相
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于QCM的湿度传感器等效电路模型研究[J]. 郭剑锋,刘庆辉,郑国恒,杨洁,时朝晖. 传感器与微系统. 2017(08)
[2]电阻式湿度传感器技术及相关专利分析[J]. 李玉林. 电子世界. 2017(08)
[3]石英晶体微天平在月尘累积量测量中的应用[J]. 王鹢,庄建宏,杨生胜,姚日剑,邹昕,王先荣,崔阳,陈丽平,李存惠. 传感技术学报. 2016(02)
[4]巴特沃斯低通滤波器的仿真设计[J]. 龚作豪,沈君凤. 信息通信. 2014(07)
[5]基于EWB的巴特沃斯有源低通滤波器的设计与仿真[J]. 张白莉,郭红英. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2011(04)
[6]湿度传感器的选用及发展趋势[J]. 喻晓莉,杨健,倪彦. 自动化技术与应用. 2009(02)
[7]光纤技术在湿度传感器中的应用[J]. 韩悦文,陈海燕,黄春雄. 光纤与电缆及其应用技术. 2008(06)
[8]用与门实现差频测量[J]. 张伟玉,董晋峰,张国雄. 仪器仪表学报. 2008(06)
[9]湿度测量方法与仪器的发展[J]. 白韶红. 仪器仪表用户. 2006(04)
[10]一种简单实用的差频方法原理研究及应用[J]. 程坤,黄庆安,秦明,茅盘松. 电子器件. 2006(02)
博士论文
[1]无源无线温湿度传感器研究[D]. 任青颖.东南大学 2017
[2]氧化石墨烯的湿敏特性及其在微纳湿度传感器上的应用[D]. 姚尧.西南交通大学 2013
硕士论文
[1]基于半导体纳米线的传感器研究[D]. 朱李斯.华东师范大学 2015
[2]基于FPGA的多路QCM湿度传感器设计与实现[D]. 赵晶.西南交通大学 2013
[3]层层组装法制备磁性吸附剂及其对重金属吸附性能的研究[D]. 何凤博.华中科技大学 2013
[4]QCM湿度传感器测量系统的研制[D]. 肖光华.哈尔滨工业大学 2012
[5]基于QCM传感器的凝血酶原时间检测系统的研制[D]. 孙娜娜.哈尔滨工业大学 2012
[6]基于具有纳米结构二氧化钛敏感膜的QCM气敏传感器研究[D]. 张翱.浙江大学 2010
本文编号：3426112
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用湿度检测方法
中国石油大学（华东）工程硕士学位论文5具有优异的物理和电学性能，如高比表面积、高导热性、高导电性、高稳定性等，受到国内外的广泛关注和研究，特别是在湿敏领域展现了极大的应用潜力。由石墨烯获得的衍生物如氧化石墨烯以及还原氧化石墨烯(Reducedgrapheneoxide,RGO)因为具有更优异的性能也被广泛用于湿敏传感器研究[17,18]。ChenglongZhao等[19]报道了一种基于GO的CMOS指叉型电容式湿度传感器。图1-2(a)-(f)为传感器的制备方法以及湿敏性能测试结果，将GO在去离子水中超声振荡得到GO溶液，在传感器件的感应区滴涂GO溶液，然后将器件置于50℃环境下干燥，同时以相同方法制备了以聚酰亚胺为敏感材料的传感器件。通过测试对比两种传感器的湿敏特性发现，GO湿敏薄膜的厚度更小(1μm)，以GO为敏感材料的传感器件有更高的灵敏度(-9.5fF/％RH)，更快的响应时间(5s)，更小的湿滞(＜4%RH)，以及极好的重复性和稳定性，为GO制备高性能的湿度传感器提供了实验支持。图1-2基于GO的电容式湿度传感器：(a)GO溶液制备；(b)传感器结构及制备过程；(c)不同材料的湿敏性能；(d)传感器的响应时间(e)传感器的湿滞(f)重复性和稳定性[19]Fig.1-2GO-basedcapacitivehumiditysensor:(a)preparationofGOsolution,(b)sensorstructureandpreparationprocess,(c)humiditysensitiveperformanceofdifferentmaterials,(d)responsetimeofsensor,(e)humidityhysteresisofsensor,(f)repeatabilityandstability[19]YouqingWang等[20]报道了一种基于GO涂覆的光纤湿度传感器。如图1-3(a)-(d)所
第1章绪论6示，作者将GO涂覆在倾斜布拉格光纤光栅上制备湿度传感器件，在10%~80%RH范围内测试包层模振荡的幅度变化。同时也检测了传感器的重复性，5次重复性测试数据在各个湿度点都基本吻合，另外分别测试了30%RH和70%RH下的稳定性，发现传感器具有较好的稳定性。图1-3基于GO的光纤湿度传感器：(a)GO包覆的布拉格光栅和实验装置；(b)10%~80%RH下的包层模振荡幅度变化；(c)五次重复性实验的灵敏度误差；(d)传感器的稳定性测试结果[20]Fig.1-3GO-basedfiberoptichumiditysensor:(a)tiltedfiberbragggratingcoatedwithGOandexperimentalsetup,(b)theamplitudes’changeofthecladdingmoderesonanceagainstwiththeRHchangingfrom10%to80%RH,(c)thesensitivityerrorsoffiverepetitiveexperiments,(d)thetestresultofsensorstability[20]AbdullahilKafy等[21]报道了基于纤维素纳米晶体/GO复合薄膜的电容式湿度传感器。如图1-4(a)所示，使用简单的混合方法制备二元复合材料，将复合材料置于烘箱中60℃下干燥得到固体薄膜，然后在一个宽的湿度范围内测试材料的湿敏特性。如图1-4(b)-(e)所示，作者分别测试了纯纤维素纳米晶体和不同复合比材料的电容随湿度的变化情况，发现GO的加入改善了纤维素纳米晶体的湿敏性能，使其具有更高的灵敏度；同时作者也给出传感器的湿滞回线，发现解吸附曲线只是略微滞后于吸附曲线，说明传感器具有较小的湿滞；测试了温度对传感器湿敏性能的影响，发现传感器在不同温度下均对湿度响应灵敏；对比所制备传感器与商用湿度传感器的性能，两种传感器表现出相
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于QCM的湿度传感器等效电路模型研究[J]. 郭剑锋,刘庆辉,郑国恒,杨洁,时朝晖. 传感器与微系统. 2017(08)
[2]电阻式湿度传感器技术及相关专利分析[J]. 李玉林. 电子世界. 2017(08)
[3]石英晶体微天平在月尘累积量测量中的应用[J]. 王鹢,庄建宏,杨生胜,姚日剑,邹昕,王先荣,崔阳,陈丽平,李存惠. 传感技术学报. 2016(02)
[4]巴特沃斯低通滤波器的仿真设计[J]. 龚作豪,沈君凤. 信息通信. 2014(07)
[5]基于EWB的巴特沃斯有源低通滤波器的设计与仿真[J]. 张白莉,郭红英. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2011(04)
[6]湿度传感器的选用及发展趋势[J]. 喻晓莉,杨健,倪彦. 自动化技术与应用. 2009(02)
[7]光纤技术在湿度传感器中的应用[J]. 韩悦文,陈海燕,黄春雄. 光纤与电缆及其应用技术. 2008(06)
[8]用与门实现差频测量[J]. 张伟玉,董晋峰,张国雄. 仪器仪表学报. 2008(06)
[9]湿度测量方法与仪器的发展[J]. 白韶红. 仪器仪表用户. 2006(04)
[10]一种简单实用的差频方法原理研究及应用[J]. 程坤,黄庆安,秦明,茅盘松. 电子器件. 2006(02)
博士论文
[1]无源无线温湿度传感器研究[D]. 任青颖.东南大学 2017
[2]氧化石墨烯的湿敏特性及其在微纳湿度传感器上的应用[D]. 姚尧.西南交通大学 2013
硕士论文
[1]基于半导体纳米线的传感器研究[D]. 朱李斯.华东师范大学 2015
[2]基于FPGA的多路QCM湿度传感器设计与实现[D]. 赵晶.西南交通大学 2013
[3]层层组装法制备磁性吸附剂及其对重金属吸附性能的研究[D]. 何凤博.华中科技大学 2013
[4]QCM湿度传感器测量系统的研制[D]. 肖光华.哈尔滨工业大学 2012
[5]基于QCM传感器的凝血酶原时间检测系统的研制[D]. 孙娜娜.哈尔滨工业大学 2012
[6]基于具有纳米结构二氧化钛敏感膜的QCM气敏传感器研究[D]. 张翱.浙江大学 2010
本文编号：3426112
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