基于聲表面波技術(shù)的CO2氣體傳感器的研究.pdf

1、二氧化碳（CO2）氣體是溫室效應(yīng)的主要來源，同時(shí)也會(huì)對(duì)海洋環(huán)境和人類健康造成危害，關(guān)于CO2氣體減排的問題已經(jīng)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但隨著社會(huì)工業(yè)化程度的不斷提高，二氧化碳?xì)怏w的排放量還在逐年增加，這一趨勢預(yù)計(jì)到2035年才可以減緩。因此，目前最為重要的是對(duì)人們生活環(huán)境中CO2濃度的監(jiān)測，以及時(shí)對(duì)CO2濃度超標(biāo)的情況做出預(yù)警，防止其對(duì)人們健康造成的危害-這就需要高質(zhì)量的CO2氣體傳感器。聲表面波技術(shù)起源于19世紀(jì)80年代，近年來隨著無線

2、通信、數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體制造工藝水平的提高，聲表面波器件的應(yīng)用已經(jīng)從軍用雷達(dá)、電視視頻擴(kuò)展到移動(dòng)通訊、無線傳感、物聯(lián)網(wǎng)等更為廣闊的領(lǐng)域。以聲表面波技術(shù)為支撐的溫度傳感器和RFID標(biāo)簽?zāi)壳霸趪庖延挟a(chǎn)品，濕度和壓力傳感器已見報(bào)道，但氣體檢測方面目前剛剛起步。
　　本論文設(shè)計(jì)并制作了一種基于聲表面波單端口諧振器的CO2氣體傳感器，并對(duì)傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)傳感器的長期穩(wěn)定性和抗干擾性能進(jìn)行測試與分析。傳感器的敏感

3、膜采用“L-丙氨酸/鎳/石墨烯”的三明治結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)容如下：
　　1.依據(jù)微擾理論，提出了一種以敏感電容與叉指換能器靜電容相耦合的聲表面波傳感新機(jī)制。對(duì)敏感電容變化引起的基于電負(fù)載效應(yīng)的聲表面波傳感器機(jī)理進(jìn)行了深入研究。并結(jié)合Modified Butterworth-van Dyke(MBVD）模型建立了適用于該傳感機(jī)制的基于電負(fù)載效應(yīng)的等效電路模型。通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了該模型的可行性。
　　2.設(shè)計(jì)了“L-丙氨酸/Ni/石

4、墨烯”三明治結(jié)構(gòu)作為聲表面波氣體傳感器的敏感膜。在該結(jié)構(gòu)中，L-丙氨酸作為主要敏感層，在不同的CO2氣體濃度下體現(xiàn)不同的極化形式；Ni作為催化劑；石墨烯以其2630m2/g的比表面積，可以有效的吸附CO2氣體分子。本文對(duì)三者的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行了深入研究。
　　3.設(shè)計(jì)并制備了諧振頻率為434.12MHz的聲表面波單端口諧振器作為 CO2傳感器的轉(zhuǎn)換器，并根據(jù)制備過程中的實(shí)際問題，對(duì)制備條件和工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。在襯底上使用循環(huán)伏安法依次

5、沉積L-丙氨酸和鎳（Ni）敏感膜，使用直流電鍍方法制備石墨烯（Gr）層，以構(gòu)成聲表面波氣體傳感器的復(fù)合敏感膜，并對(duì)制備的敏感膜進(jìn)行表征。
　　4.設(shè)計(jì)并制備了具有“L-丙氨酸/Ni/石墨烯”三明治結(jié)構(gòu)敏感膜的聲表面波CO2氣體傳感器，測試結(jié)果顯示：在低濃度區(qū)域（0～2000ppm），傳感器的靈敏度達(dá)到了2.51MHz(ppm-1m-2)；而在高濃度區(qū)域（2000～40000ppm），傳感器的靈敏度為0.46MHz(ppm-1m-2