课题基金 / 基金详情

高电负载SAW甲烷传感器关键技术及传感机理研究

批准号:
52074111
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
沈斌
依托单位:
学科分类:
安全科学与工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
沈斌

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
克服传统质量敏感型SAW传感器窄量程缺点,提升SAW甲烷传感器的检测量程和响应速度,是该类传感技术迈入工业化应用亟需解决的科学问题。项目提出高电负载的电容型声表面波气体传感器设计方法,引入高导电聚合物材料修饰穴蕃类质量负载型敏感材料,增强敏感膜的电负载效应,通过多层膜结构设计,建立“插指电极/敏感层/顶电极层”电容型传感模型;在高频双通道SAW器件上通过电化学和直流电镀法沉积薄膜,以元件输出频率偏移量和电容为主要指标,利用实验系统在CH4、添加CO、H2S等背景气实验气氛中考察传感器响应特性,获取灵敏度、量程、重复性等传感器关键指标;通过多层膜结构下的气体吸附解吸动力学Gaussian模拟,结合实验结果,阐明质量负载与电负载耦合传感机理。项目研究对推进SAW甲烷传感器的工业化,丰富宽量程SAW气体传感器设计理论及制造方法,具有重要意义。
英文摘要
To overcome the shortcomings of the traditional quality sensitive SAW sensor in narrow range and improve the detection range and response speed of saw methane sensor are the scientific problems that need to be solved in the industrial application of this kind of sensor technology. The design method of capacitance SAW gas sensor with high electrical load is proposed. The high conductivity polymer material will be used to modify the mass loaded sensitive material- cryptophane to enhance the electrical loading effect of the sensitive film. Through the design of multilayer structure, the capacitive sensing model of "interpenetrating electrode / sensing layer / top electrode layer" will be established. Thin films will be deposited on high frequency SAW devices by electrochemical and direct current plating. Taking the output frequency offset and capacitance of the element as the main indexes, the response characteristics of the sensor are investigated in CH4, CO, H2S background gas experimental atmosphere by using the experimental system, and the key indexes of the sensor such as sensitivity, range and repeatability will be obtained. Through the Gaussian simulation of gas adsorption and desorption dynamics in multilayer structure, combined with the experimental results, the coupling sensing mechanism of mass load and electric load is clarified. The project research is of great significance to promote the industrialization of saw methane sensor and enrich the design theory and manufacturing method of wide range SAW gas sensor.
为克服传统质量敏感型SAW传感器窄量程缺点,项目提出了高电负载的电容型声表面波气体传感器设计方法,开展了探索性研究。基于“插指电极/敏感层/顶电极层”电容型传感模型,建立了质量负载和电负载耦合的声表面波传感响应数学模型,并结合MBVD模型建立了基于电负载效应的等效电路;利用COMSOL软件仿真分析了分裂指插指换能器受压电基底厚度、金属化率、电极材料、敏感膜种类与厚度的影响规律,优化了设计参数,制备并测定了新型分裂指结构SAW器件的性能;以香草醛为原料,采用“三步法”合成了笼型超分子化合物穴番-A、穴番-E;采用Materials Studio 中的Dmol3模块,建立了穴番-A和穴番-E吸附甲烷模型,分别计算了态密度、吸附能,分析显示前者具有更好的吸附性能;研制了“石墨烯-镍-敏感膜”多层结构的电容型声表面波甲烷气体传感器,实现了0-5%体积浓度甲烷的线性检测,响应灵敏度达到800Hz/1%CH4,石墨烯-镍-穴番-A复合敏感膜传感器的响应恢复时间较穴番-E敏感膜分别提升了17.6%和24%;通过传感器的选择性测试,明确了矿井中CO、H2等背景气体对甲烷吸脱附的影响规律,吸附能力依次为CH4>CO>CO2>H2;通过材料表征与传感器响应分析,揭示了质量负载效应与电负载效应在声表面波甲烷传感过程中的耦合作用机理。研究成果为新型质量电容耦合型声表面波气体传感器研制提供了参考,但敏感材料的电容特性改善、膜结构的优化还有待进一步研究。
声表面波矿井瓦斯传感技术基础研究
  • 批准号:
    51504088
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    沈斌
  • 依托单位:
国内基金
海外基金