質(zhì)量敏感型有毒有害氣體傳感器及陣列研究.pdf

1、二十一世紀，全球各國都將可持續(xù)發(fā)展作為所面臨的首要問題而給予了高度關(guān)注，環(huán)境污染是其中最主要的困難之一。各國對各種有毒有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對人居環(huán)境質(zhì)量的檢測都提出了更高的要求。因此，發(fā)展低成本可攜帶的有毒有害氣體傳感器及陣列，對于環(huán)境污染的源頭進行監(jiān)控具有重要的意義。在眾多氣體傳感器中，質(zhì)量敏感型氣體傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好、成本低、適宜于批量生產(chǎn)等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于有毒有害氣體的檢測中。但質(zhì)量敏感型元件本身

2、對氣體或蒸氣不具有選擇性，其作為化學傳感器的選擇性僅僅依賴于表面敏感膜的性質(zhì)。因此本文以質(zhì)量敏感型傳感器元件為基礎(chǔ)，合成新型氣體敏感材料聚炔和超分子材料，以及基于聚炔的有機無機復(fù)合材料，制備有毒有害氣體傳感器單元，并測試其對可燃氣體甲烷和有毒氣體揮發(fā)性有機化學物質(zhì)(VOC)的敏感特性，在此基礎(chǔ)上建立質(zhì)量敏感型氣體傳感器陣列，與現(xiàn)有傳感器組成的陣列實現(xiàn)有毒有害氣體的定性定量識別。其主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 1．通過對質(zhì)量敏

3、感型傳感器的質(zhì)量敏感效應(yīng)、敏感薄膜與氣體分子的吸附特性以及氣體分子在敏感薄膜上吸附作用的線性溶劑化能關(guān)系等的研究，建立敏感機理的物理化學模型。用多物理場耦合模型實現(xiàn)了對聲波氣體傳感器的仿真，利用仿真過程大大減少了原型機的實驗量，縮短傳感器開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。
　　 2．用Stelle耦合反應(yīng)合成含苯基的聚炔材料聚-2,5-二甲氧基乙炔苯(PDMEB)，用Sonogashira耦合反應(yīng)合成含稀有金屬的苯基聚炔材料聚-（2三乙烷

4、化磷-鉑-二乙炔苯）(Pt-DEB)，并采用旋涂方法在質(zhì)量敏感型傳感器元件上成膜，用以制備基于聚炔類敏感材料的傳感器單元，測試該傳感器單元對可燃氣體甲烷和有毒氣體VOC的氣體敏感特性。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)室溫下PDMEB對結(jié)構(gòu)牢固的甲烷有較明顯的氣敏特性，表面形貌分析發(fā)現(xiàn)PDMEB的表面存在有孔洞，為甲烷氣體分子提供了較多的吸附位及較好的吸附/脫附條件，紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)PDMEB還和甲烷存在一定的結(jié)合，從而使其對甲烷有氣敏特性。室溫下Pt-DE

5、B對VOC的氣敏響應(yīng)明顯優(yōu)于PDMEB，包括較好的基頻穩(wěn)定性，很好的重復(fù)性，氣敏響應(yīng)的線性化等。Pt-DEB對VOC的探測極限可達1ppm。結(jié)合Pt-DEB的表面形貌分析其敏感機理主要源自于溶脹現(xiàn)象。
　　 3．用廉價的香草醛為原料，采用改進的二次三聚合的方法合成超分子材料穴番-A，用靜電噴霧的成膜方法在質(zhì)量敏感型傳感器元件上制備成氣體傳感器單元，測試其對甲烷的氣敏特性并研究溫濕度對傳感器的影響。實驗發(fā)現(xiàn)基于穴番-A的聲波型傳感

6、器對甲烷有較好的氣敏特性，探測極限可達0.05％(v/v)。采用分子力學的方法初步分析穴番-A對甲烷敏感的原因主要來自于主體分子對客體分子的范德華引力。
　　 4．在合成PDMEB聚合物的基礎(chǔ)上原位合成了PDMEB/SnO2和PDMEB/In2O3有機無機納米復(fù)合敏感材料，旋涂在質(zhì)量敏感型傳感器元件上用以制備氣體傳感器。實驗發(fā)現(xiàn)SnO2和In2O3納米粒子的加入不僅改變了聚合物的形貌，改善了成膜特性，還增強了室溫下聚合物PDME

7、B對甲烷的靈敏度。結(jié)合氣體傳感器的實時頻率響應(yīng)曲線，分析甲烷氣體在敏感膜上的吸附和脫附動力學理論，推導甲烷氣體在聚合物敏感膜PDMEB以及其有機無機敏感膜PDMEB/SnO2和PDMEB/In2O3上的吸附速度和脫附速度，加入SnO2和In2O3無機納米粒子的傳感器對1000ppm甲烷的吸附速率常數(shù)相等，均為0.0145，大于純聚合物PDMEB對1000ppm甲烷的吸附速率常數(shù)(0.0138)，它們兩個的脫附常數(shù)也都高于純PDMEB。無

8、機材料的加入還改變了PDMEB對VOC氣敏的選擇性，PDMEB/SnO2對醇類有較好的氣敏特性，而PDMEB/In2O3則對四氫呋喃有較好的氣敏特性，它們對氯仿和丙酮都沒有氣敏特性。
　　 5．采用層層自組裝的方法將碳納米管有機無機復(fù)合材料成膜在質(zhì)量敏感型傳感器元件上制備傳感器單元，測試氣敏特性。并比較了不同溶劑分散對氣敏的影響，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣敏特性出現(xiàn)溶劑功能化效應(yīng)，即用某種溶劑分散的碳納米管對該溶劑的蒸汽呈現(xiàn)很好的氣敏特性，