【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 氣體敏感材料“墨水”的制備方法。 本文設(shè)計(jì)的傳感器電極采用叉指電極，以提高器件對(duì)信號(hào)的測(cè)試響應(yīng)靈敏 度。采用噴墨打印技術(shù)將敏感材料“墨水”和叉指電極結(jié)合，研制了阻抗型氣敏 傳感器。 導(dǎo)電聚合物氣體敏感材料“墨水”的制備 選取導(dǎo)電聚合物聚苯胺 Poly 麗 hne(PANI)和聚毗咯 PolyPyrrole(PP 均作為墨 水的材料。這里我選用的是 Sigrna 一 Aldrich(analyticalgade)提供的 Poly 耐 hne (emeraldinesalt)(produetID:520565)和 pol 即 yrrole(ProductID:530573)。 首先取 20ml 的去離子水 。摻入適當(dāng)?shù)?HZSO4，分別配制 3%一 %的 HZSO4 溶 液 。由于摻雜的聚苯胺 Polyaniline(R 氣 Nl)和聚毗咯 PolyPyrr0le(PP 均對(duì)氨氣敏 感，并且這些氣體敏感聚合物材料隨著摻雜材料的不同和摻雜程度的不同而顯現(xiàn) 出不同的敏感特性，本文因此對(duì)聚苯胺 Polyhallne(PANI)和聚毗咯 PolyPyrrole(PP 均摻入不同的濃度的姚 50。來(lái)研究摻玩 50。的聚苯胺 polyhaline(PANI)和聚毗咯 pol 即 yrrole(pp 均的氨氣敏感特性。 然后按照 叨 0ml 的比例將聚苯胺 Polyaniline 和聚毗咯 PolyPyrmle 分別和 不同濃度的玩 504 溶液混合，并且在 20℃的恒溫下攪拌 12h 左右，使聚苯胺 Poly 耐 line 和聚毗咯 PolyPyrrole 與玩 504 溶液充分的反應(yīng)。然后在室溫下靜置 24h 左右。 169 一川 接著用 林的 濾網(wǎng)過(guò)濾配制的墨水，濾除體積過(guò)大的顆粒，防止噴頭的堵塞 [v2]。至此基于聚合物聚苯胺 (PANI)和聚毗咯 (PPY)的墨水的配制和準(zhǔn)備就完成 了。 參數(shù)是阻抗，所以我們采用的電極是叉指電極。根據(jù)阻抗 熱噪聲的等效電壓的計(jì)算公式， vZ(t)二 4KTRB，其中 R 是電阻值， T 是絕對(duì)溫度， B 是測(cè)量信號(hào)帶寬。我們可以看出，阻抗值越高，那么阻抗兩端的等效熱力學(xué)噪 聲電壓也就越高，所以為了減少在探測(cè)低濃度氣體時(shí)，熱力學(xué)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的 干擾，增加信噪比，希望減少敏感膜的阻抗值。因此可以通過(guò)增加膜厚或電阻寬 長(zhǎng)比來(lái)減小 阻抗值。但是膜的厚度太大，則會(huì)減慢響應(yīng)時(shí)間。所以適當(dāng)增加寬長(zhǎng) 比以滿足響應(yīng)和信噪比的要求。 所以為了在同樣的電極面積下，為了得到更大的寬長(zhǎng)比，因而使用叉指電極。 也就是說(shuō)，為了得到同樣的阻抗值，在使用同樣體積的敏感膜下，叉指電極面積 最小。下圖 1 所示是采用的叉指電極的示意圖 168]。 本文中的叉指電極采用的是碳黑電極，之所以采用碳黑電極是因?yàn)槿绻捎? 鋁或者同類的金屬電極可能會(huì)和測(cè)試過(guò)程中采用的堿性氣體和一些酸性物質(zhì)反 應(yīng)從而影響測(cè)試的結(jié)果，所以采用惰性的碳黑電極來(lái)最小化外部對(duì)測(cè)試參數(shù)的影 響。如下圖 所示，本文設(shè)計(jì)的傳感器叉指電極郵對(duì)電極構(gòu)成，電極覆蓋面積 是 7X7nun。 膏膏膏 圖 叉指電極示意圖 如下圖 所示，本文中采用 U 一 StarAirbrush 套裝來(lái)作為打印設(shè)備，其中 U 一 star Aithrush 套裝采用的是紅葉 YEHONG 一 033 的 Aithrush 系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以在保留 最大的噴墨質(zhì)量的同時(shí)，大幅度的提高噴墨的效率 I6v]。 漢亡 6 盲幣比矛 圖 測(cè)試系統(tǒng) 本文的測(cè)試環(huán)境溫度在 10 一 16℃范圍內(nèi)，濕度在 40 一 60%范圍內(nèi)。測(cè)試氣體是 由 looppm 和 l000pm 的氨氣困玩 )，以 及氮?dú)赓?2)。 下圖 所示是測(cè)試使用的是 CHI“ OC 型電化學(xué)工作站，其中的測(cè)試使用交 流阻抗測(cè)試，該測(cè)試參數(shù)如下表 所示。 表 初初始電平 (I)(伏 ))) 高高頻 (H)(赫茲 )))100KKK 低低頻 (H)(赫茲 )))lll 振振幅 (A)(伏 ))) H3)開(kāi)關(guān)，通入氨氣卿 H3)。 調(diào)整配氣儀中氨氣困 H3)的流量，然后調(diào)整氮?dú)饫?2)的流量，是混合 氣體的流速為 100mUmin，按照測(cè)量的需要調(diào)整氨氣困 H3)和氮?dú)?伽 2) 的配比，可得到的混合氣體的氨氣濃度范圍為 (1 一 100ppm)。 將混合后的氨氣困 H3)通入測(cè)試用 30ml 腔體。通入 smin 左右，使氣流 穩(wěn)定。 氣流穩(wěn)定后，將氣敏傳感器送入測(cè)試用 3Oml 腔體中，使氣敏傳感器 與氨氣伽 H3)充分反應(yīng)，然后取出氣敏傳感器。 通過(guò)電化學(xué)工作站 CHI660C 測(cè)試氣敏傳感器在通入困 H3)氨氣前后的 AC 心 C 阻抗特性。 : 本章小結(jié) 本章研究并配置了基于聚苯胺 Poly 耐 line(PANI)和聚毗咯 Pol 即 yrm1e(PP 釣 的不同摻酸比例的墨水，此外又研究了叉指電極的設(shè)計(jì)，并通過(guò)和 Airbrush 結(jié)合， 以噴涂的方式制作了氨氣傳感器。證實(shí)了打印噴涂工藝相對(duì)于其他傳感器制作技 術(shù)具有，速度快，成本低，低溫過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)。 圖 通過(guò)該 Airbnish 系統(tǒng)將墨水均勻的噴涂在叉指電極上，之后將已經(jīng)載有敏感 材料的叉指電極置于恒溫箱中，在 50℃的恒溫下加熱 5 一 10min，完全移除溶液 。從 恒溫箱中取出后，置于室溫下冷卻。然后就得到了所需的氣敏傳感器。如果需要 較高厚度的敏感膜，只需要多次重復(fù)上述步驟。 氨氣傳感 器的測(cè)試 整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如圖 所示，該測(cè)試系統(tǒng)由 CH 工 66OC 電化學(xué)工作站、含有氣敏 傳感器的測(cè)試腔體、配氣儀、氣體鋼瓶和計(jì)算機(jī)等部分構(gòu)成。其中由于本文中的 氨氣傳感器是阻抗式的，所以同樣采用了電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試方式。傳統(tǒng)的阻抗 譜使用的三電極模式，即研究電極、參比電極、對(duì)電極，但是由于本文中的氨氣 傳感器的叉指結(jié)構(gòu)因素，并不能采用傳統(tǒng)的三電極模式。因此本文中將參比電極 與對(duì)電極進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜⑻幚恚瑥亩玫搅丝梢允褂门c叉指電極的兩電極模式。 且該材料傳感器 2 的材料是無(wú)線電波或微波容易穿透的材 料，不能使用 金屬材料。此外要選擇合適的材料傳感器 2 的厚度和襯底材料。正 是由于上述的限制條件，該非接觸式氨氣偵測(cè)系統(tǒng)比較適用于密閉空間的、傳送 帶式的測(cè)試環(huán)境中，比如 等人使用 PCIS 一 3000 系統(tǒng) [75〕。 無(wú)線信號(hào)發(fā)射端 1 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖 所示。其中包括采用 UHFISM 頻段無(wú) 線收發(fā)芯片，及相應(yīng)電源管理芯片和無(wú)線發(fā)送芯片 AD17010。 頻譜分析儀 圖 發(fā)射端框圖 無(wú)線信號(hào)接收端 3 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖 所示。其中包括采用 UHFISM 頻段無(wú) 線收發(fā)芯片，及相應(yīng)電源管理芯片和無(wú)線接收芯片 ADIA7O20。 此外本文還采用了頻譜分析儀器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、穩(wěn)壓數(shù)字電源、計(jì) 算機(jī)來(lái)搭建測(cè)試平臺(tái)。 圖 接收端框圖 集成了 MEMS 氣敏傳感器的 RFIO 系統(tǒng) 該系統(tǒng)框圖如圖 所示。系統(tǒng)由集成了 MEMS 氣敏傳感器的電子標(biāo)簽 (TAG)， 即圖 中的 Label、讀寫(xiě)器 (Reader)和天線 (Antenna)等構(gòu)成 t，‘。其中讀寫(xiě)器通 過(guò)天線發(fā)射一個(gè)“詢問(wèn)”信號(hào)到電子標(biāo)簽，無(wú)論該標(biāo)簽上的該 MEMS 氣敏傳感器 的氣敏材料是否與被檢測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)，該電子標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)給該讀寫(xiě) 器，然后 該讀寫(xiě)器將該反饋信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)的應(yīng)用軟件，從而通過(guò)該軟件對(duì)電子 標(biāo)簽中數(shù)據(jù)信號(hào)分析檢測(cè)以及比對(duì)來(lái)確定被檢測(cè)氣體的變化。 系統(tǒng)框圖模型 : I。 CODEReader!.COOELabel HOst System 匹匹 RFUnittt UUUnittttttt POV 甘 Gr 悶卜 Data 叫卜悶卜 圖 閱讀器和應(yīng)答器的構(gòu)成 集成了 MEMS 氣敏傳感器的 RFID 系統(tǒng)的電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如下圖 所示，其中 發(fā)送由射頻模擬前端、數(shù)字控制和存儲(chǔ)器模塊三部分構(gòu) 成。 電子標(biāo)簽的射頻模擬前端通過(guò)整流穩(wěn)壓限幅、 ASK 調(diào)制、負(fù)載調(diào)制、時(shí)鐘提 取和復(fù)位模塊來(lái)完成信號(hào)的接收發(fā)送和能量的接收和轉(zhuǎn)換。 電子標(biāo)簽的數(shù)字控制通過(guò)接收編碼、發(fā)送編碼、收發(fā)控制、安全認(rèn)證、主機(jī) 狀態(tài)、防沖突和存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制模塊來(lái)完成接收信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，存儲(chǔ)器的控制， 以及信息安全。 電子標(biāo)簽的存儲(chǔ)器模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)。 整整流穩(wěn)壓限幅幅幅接收編碼 碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼碼發(fā) 發(fā)發(fā)發(fā)送編碼 高 高壓 壓壓 壓壓 壓產(chǎn)生 生、 、 、 、 :::::::::::::::::::::::::， ， ___________________收發(fā)控制 ________ 11100%10%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%一硫單斌‘ ‘ AAAsK 調(diào)制 制制 _安全認(rèn)證扮 扮扮 負(fù)負(fù)載調(diào)制一 一一一一一一一一一一一 一 主主主主主主主主主主狀悉抓一丫 丫丫 丫 提提取時(shí)鐘 _防防防防防防防防防防沖突 突突 突 復(fù)復(fù)位 位位位位位位位位位位位 位存 存存存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制制制 制 電子標(biāo)簽系統(tǒng)框圖 圖 電子標(biāo)簽系統(tǒng)框圖 集成了 MEMS 氣敏傳感器的 RFID 系統(tǒng)的讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如下圖 所示， 其中該讀寫(xiě)器由電源、外部驅(qū)動(dòng)接口、存儲(chǔ)器、微控制器、解碼器以及禍合單元 組成。該讀寫(xiě)器通過(guò)禍合單元發(fā)送“詢問(wèn)”信號(hào)和接收電子標(biāo)簽相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然 后再通過(guò)微控制器、解碼器和存儲(chǔ)器記錄電子標(biāo)簽反饋的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)外部 驅(qū)動(dòng)接口將信號(hào)發(fā)送到后端應(yīng)用軟件進(jìn)行處理，從而達(dá)到檢測(cè)氣體的目的。 章無(wú)線傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文以無(wú)線傳感系統(tǒng)為特定對(duì)象，研究氣體敏感元件和 R 日 O 無(wú)線傳輸?shù)入? 路元件的集成，開(kāi)發(fā)一種集成了 MEMS 氣敏傳感器的 R 日 O 芯片，解決規(guī)?；? 造的一致性、重復(fù)性、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，此外還開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的非 接觸式射頻氨氣偵測(cè)系統(tǒng)。上述的無(wú)線傳感系統(tǒng)都可應(yīng)用于對(duì)于環(huán)境和特殊氣體 的檢測(cè)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)巨大的市場(chǎng)需求。因?yàn)闀r(shí)間有限，本文僅僅完成了系統(tǒng)的 總體框架設(shè)計(jì)。 非接觸式氨氣偵測(cè)系統(tǒng) 如圖 的系統(tǒng)框圖所示，該非接觸式氨氣偵測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由無(wú)線信號(hào)發(fā)射端 (圖中 1)、無(wú)線信號(hào)接收端 (圖中 3)、材料傳感器 (圖中 2)、信號(hào)發(fā)生器以 及無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等構(gòu)成。其中采用的無(wú)線射頻信號(hào)由無(wú)線信號(hào)發(fā)射端 1 發(fā)送， 然后該無(wú)線射頻信號(hào)通過(guò)材料傳感器 2 到達(dá)無(wú)線信號(hào)接收端 3，其中在該無(wú)線信號(hào) 穿越該材料傳感器時(shí)，該材料傳感器 2 的傳感器材料與被檢測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)，從 而導(dǎo)致傳感器材料的性能變化，因而導(dǎo)致穿越該傳感器材料的無(wú)線信號(hào)發(fā)生變化 圈。所以當(dāng)該變化的無(wú)線信號(hào)到達(dá)無(wú)線信號(hào)接收端 3 后，再利用無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)監(jiān) 測(cè)，通過(guò)應(yīng)用軟件來(lái)分析該無(wú)線信號(hào)的變化，從而監(jiān)測(cè)被檢測(cè)氣體的變化。 系統(tǒng)框圖模型 : 圖 非接觸式氨氣偵測(cè)系統(tǒng)框圖 根據(jù)該非接觸式氨氣偵測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性，需要測(cè)試環(huán)境是密閉的環(huán)境空 氨氣傳感器測(cè)試結(jié)果與討論 本章詳細(xì)討論了導(dǎo)電聚合物聚苯胺和聚毗咯敏感膜對(duì)不同濃度氨氣的響 應(yīng)以及其相應(yīng)的原理和機(jī)制，本章還探討了在交流 AC 阻抗測(cè)試下，導(dǎo)電聚 合物聚苯胺和聚毗咯敏感膜對(duì)不同濃度氨氣的響應(yīng)和相應(yīng)的討論，此外還詳 細(xì)研究了摻雜不同濃度的硫酸導(dǎo)電聚合物聚苯胺和聚毗咯對(duì)氨氣的響應(yīng)的 影響以及不同厚度的導(dǎo)電聚合物聚苯胺和聚毗咯敏感膜對(duì)氨氣的響應(yīng)的影 響。最后本章通過(guò)交流阻抗測(cè)試和分析建立了一個(gè)交流阻抗模型，從而說(shuō)明 導(dǎo)電聚合物聚苯胺和聚毗咯在氨氣的氛圍下交流阻抗的變化過(guò)程和機(jī)理。 氨氣濃度對(duì)直流阻抗的影響 導(dǎo)電 聚合物聚苯胺 Polyaniline(PANI)對(duì)氨氣 (NH3)的響應(yīng) 一一一 Polyanilinaaa E 二 O 肉 NH 獷 ppm 圖 聚苯胺對(duì)氨氣的直流阻抗響應(yīng)曲線