基于聲表面波技術的CO2氣體傳感器的研究.pdf

1、二氧化碳（CO2）氣體是溫室效應的主要來源，同時也會對海洋環(huán)境和人類健康造成危害，關于CO2氣體減排的問題已經受到國內外的廣泛關注。但隨著社會工業(yè)化程度的不斷提高，二氧化碳氣體的排放量還在逐年增加，這一趨勢預計到2035年才可以減緩。因此，目前最為重要的是對人們生活環(huán)境中CO2濃度的監(jiān)測，以及時對CO2濃度超標的情況做出預警，防止其對人們健康造成的危害-這就需要高質量的CO2氣體傳感器。聲表面波技術起源于19世紀80年代，近年來隨著無線

2、通信、數字電路技術的發(fā)展以及半導體制造工藝水平的提高，聲表面波器件的應用已經從軍用雷達、電視視頻擴展到移動通訊、無線傳感、物聯(lián)網等更為廣闊的領域。以聲表面波技術為支撐的溫度傳感器和RFID標簽目前在國外已有產品，濕度和壓力傳感器已見報道，但氣體檢測方面目前剛剛起步。
　　本論文設計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，并對傳感器的靜態(tài)、動態(tài)特性進行標定，對傳感器的長期穩(wěn)定性和抗干擾性能進行測試與分析。傳感器的敏感

3、膜采用“L-丙氨酸/鎳/石墨烯”的三明治結構，主要內容如下：
　　1.依據微擾理論，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制。對敏感電容變化引起的基于電負載效應的聲表面波傳感器機理進行了深入研究。并結合Modified Butterworth-van Dyke(MBVD）模型建立了適用于該傳感機制的基于電負載效應的等效電路模型。通過實驗的方法驗證了該模型的可行性。
　　2.設計了“L-丙氨酸/Ni/石

4、墨烯”三明治結構作為聲表面波氣體傳感器的敏感膜。在該結構中，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。本文對三者的協(xié)同效應進行了深入研究。
　　3.設計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傳感器的轉換器，并根據制備過程中的實際問題，對制備條件和工藝流程進行優(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，以構成聲表面波氣體傳感器的復合敏感膜，并對制備的敏感膜進行表征。
　　4.設計并制備了具有“L-丙氨酸/Ni/石墨烯”三明治結構敏感膜的聲表面波CO2氣體傳感器，測試結果顯示：在低濃度區(qū)域（0～2000ppm），傳感器的靈敏度達到了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