基于聲表面波及微納技術(shù)的高性能濕敏傳感器研究.pdf

1、濕度在工業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域都必須得到嚴(yán)格地監(jiān)控。濕度檢測在倉儲(chǔ)、糧食及食品防霉、溫室種植、環(huán)境監(jiān)測、儀表電器、交通運(yùn)輸、氣象、軍事等方面都起著越來越重要的作用，甚至處于不可或缺的地位。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度卻是最難準(zhǔn)確測量的一個(gè)參數(shù)。因而對具有高靈敏度、快速響應(yīng)速度等高性能的新型濕敏傳感器的研究具有重要意義。
　　 聲表面波器件由于其對表面擾動(dòng)的特殊敏感性，被廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。其靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積

2、小、成本低、易于集成的優(yōu)點(diǎn)使之得到越來越多的關(guān)注和研究。聲表面波傳感器對表面擾動(dòng)的響應(yīng)是多種因素、多種機(jī)理共同作用的結(jié)果，這也是聲表面波傳感器能夠具有極高靈敏度的根本原因。對聲表面波傳感器擾動(dòng)理論模型及其質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)、聲電耦合效應(yīng)等響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入剖析，從根本上為聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濕敏材料選擇提供理論依據(jù)和參考。使用精密光刻工藝制備高頻聲表面波單端諧振器作為濕敏傳感器的基本換能元件。
　　 濕敏材料的選擇及制備是決定聲

3、表面波濕敏傳感器性能的重要因素。只有濕敏材料的特性與聲表面波換能元件的多重響應(yīng)機(jī)理相匹配，才能使傳感器達(dá)到最佳性能。包括水分子吸附效率、吸濕后電導(dǎo)率變化、粘彈性在內(nèi)的多項(xiàng)材料特性都必須進(jìn)行綜合考慮與設(shè)計(jì)。新型納米材料、復(fù)合材料是目前濕敏材料的主要發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。深入討論了聲表面波濕敏傳感器中濕敏材料的選擇與設(shè)計(jì)思路，給出Nafion/MWCNTs復(fù)合材料、氧化石墨烯等幾種新型納米功能材料的合成及制備方法。
　　 濕敏材料的成

4、膜方法是關(guān)系到濕敏傳感器最終性能的又一關(guān)鍵技術(shù)。高頻聲表面波元件可成膜面積小，并且對表面敏感膜的厚度、均勻性都有很高要求。納米纖維薄膜由于具有更大的比表面積，可以極大地改善傳感器的靈敏度及動(dòng)態(tài)性能。靜電紡絲技術(shù)是一種新興的納米纖維薄膜制備方法，其制備的納米纖維薄膜具有比表面積大、孔隙率高、纖維徑細(xì)、質(zhì)輕、形貌均勻等突出優(yōu)點(diǎn)，并且較之其他微納成膜方法，該方法更為簡便易行。將靜電紡絲成膜技術(shù)引入到聲表面波濕敏傳感器制備過程中，制備具有微納結(jié)

5、構(gòu)特性的Nafion/MWCNTs復(fù)合納米纖維感濕薄膜。
　　 聲表面波傳感器工作在射頻頻段，很容易受到環(huán)境或自身所產(chǎn)生的電磁輻射的干擾，因而對檢測電路的設(shè)計(jì)有更嚴(yán)格的要求，這也是聲表面波傳感器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)了高性能的聲表面波高頻振蕩電路及整套的檢測系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性能。通過射頻無線喚醒技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線半無源聲表面濕敏傳感器標(biāo)簽設(shè)計(jì)。提出新型的叉指電極串聯(lián)式聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)，為高頻聲表面波傳感器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)

6、新的思路。
　　 實(shí)驗(yàn)主要對靈敏度、穩(wěn)定性、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間、溫度系數(shù)等幾個(gè)濕敏傳感器的重要指標(biāo)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的幾種濕敏材料在聲表面波濕敏傳感器的應(yīng)用中均取得了理想的效果，其性能較之前的研究及目前的商品化元件都有較大地提升。同時(shí)，也驗(yàn)證了靜電紡絲成膜技術(shù)對傳感器性能的影響，證實(shí)了其在提升傳感器靈敏度及動(dòng)態(tài)性能上的有效性。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的新型聲表面波傳感器在濕度檢測中的有效性也得到檢驗(yàn)，確認(rèn)了這一新方法的可行性。