基于聲表面波及微納技術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)控等多個領域都必須得到嚴格地監(jiān)控。濕度檢測在倉儲、糧食及食品防霉、溫室種植、環(huán)境監(jiān)測、儀表電器、交通運輸、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，濕度卻是最難準確測量的一個參數(shù)。因而對具有高靈敏度、快速響應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的特殊敏感性，被廣泛應用于傳感器領域。其靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積

2、小、成本低、易于集成的優(yōu)點使之得到越來越多的關注和研究。聲表面波傳感器對表面擾動的響應是多種因素、多種機理共同作用的結果，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理論模型及其質量負載效應、聲電耦合效應等響應機理進行了深入剖析，從根本上為聲表面波傳感器的結構設計、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機理相匹配，才能使傳感器達到最佳性能。包括水分子吸附效率、吸濕后電導率變化、粘彈性在內的多項材料特性都必須進行綜合考慮與設計。新型納米材料、復合材料是目前濕敏材料的主要發(fā)展方向和研究熱點。深入討論了聲表面波濕敏傳感器中濕敏材料的選擇與設計思路，給出Nafion/MWCNTs復合材料、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、膜方法是關系到濕敏傳感器最終性能的又一關鍵技術。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態(tài)性能。靜電紡絲技術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、質輕、形貌均勻等突出優(yōu)點，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引入到聲表面波濕敏傳感器制備過程中，制備具有微納結

5、構特性的Nafion/MWCNTs復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)境或自身所產生的電磁輻射的干擾，因而對檢測電路的設計有更嚴格的要求，這也是聲表面波傳感器的設計難點之一。設計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實現(xiàn)無線半無源聲表面濕敏傳感器標簽設計。提出新型的叉指電極串聯(lián)式聲表面波傳感器結構，為高頻聲表面波傳感器的設計提供了一個

6、新的思路。
　　 實驗主要對靈敏度、穩(wěn)定性、重復性、響應時間、溫度系數(shù)等幾個濕敏傳感器的重要指標進行測試。實驗結果表明設計的幾種濕敏材料在聲表面波濕敏傳感器的應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，也驗證了靜電紡絲成膜技術對傳感器性能的影響，證實了其在提升傳感器靈敏度及動態(tài)性能上的有效性。串聯(lián)結構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，確認了這一新方法的可行性。