TiO_2纳米管阵列的湿敏特性研究

采用电化学阳极氧化法制备高度有序的TiO_2纳米管阵列。样品分别在300℃、400℃、 500℃和600℃条件下煅烧。Ti O_2纳米管的结构和形貌由X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)进行表征。用TiO_2纳米管阵列设计一种新型的传感器来考察其湿敏特性。600℃条件下煅烧的样品在11 %～95%相对湿度(RH)范围内表现出比较高的灵敏度,在电阻上有两个数量级的变化,并且响应和恢复时间比较短(<190s)。     

基于Ag/TiO_2纳米管阵列的SO_2气体传感器研究

为了快速准确检测电厂中的SO_2气体浓度,采用电化学阳极氧化法制备了不同含量Ag纳米粒子的TiO_2纳米管阵列(Ag/TNTA),涂敷于带有金电极的氧化铝陶瓷管表面形成敏感薄膜,设计了一种薄膜型管式SO_2传感器。采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜表征了Ag/TNTA纳米管阵列的相组成和微观形貌,分析了Ag/TNTA纳米管阵列对SO_2敏感机理。在气体传感器静态测试系统上,测试了SO_2传感器灵敏度、动态响应、湿度、温度、抗干扰和长期稳定等特性。结果表明,以Ag/TNTA为敏感薄膜的SO_2传感器灵敏度为96.8%,动态响应时间为2.2~6.4 s,恢复时间为2.4~6.6 s。在某电厂中连续使用3个月后,响应衰减了4.3%。表明该SO_2传感器可实现电厂中SO_2气体在线检测。     

磁致伸缩触觉传感器阵列及其在机械手抓取物体中的应用

受人类手指的感知与探测功能启发,基于新型磁致伸缩材料Fa_(83)Ga_(17)(Galfenol)的逆磁致伸缩效应,设计了一种用于测量压力与检测刚度的触觉传感器阵列。根据电磁学和力学理论,建立了触觉传感器阵列的模型,计算结果表明模型可以描述传感器阵列的输出电压与压力之间的关系。制备了2×2传感器阵列样机,样机尺寸为37×22×14 mm。将传感器阵列样机安装在两指机械手上进行输出特性测试,测试结果表明传感器阵列的灵敏度为115 mV/N,检测范围为0～3 N,在周期为0～1 s范围具有较快的反应速度。研制的磁致伸缩触觉传感器具有灵敏度高,响应速度快的特点,可以检测触觉压力,感知压力分布和物体刚度的信息,与机械手配合可以完成稳定抓取物体的任务。     

车用氨气传感器设计与性能实验

以低温水热法制备了TiO_2-SnO_2复合纳米晶粒,采用提拉法涂敷于带有金电极的氧化铝陶瓷管表面形成敏感薄膜,设计了一种新型的薄膜式氨气传感器。在气体传感器静态测试装置上,测试了氨气传感器敏感特性、温度特性、动态响应、抗干扰和湿度特性。结果表明,以TS6为敏感薄膜的氨气传感器灵敏度为96.3%,动态响应时间为12 s,恢复时间分别为18 s。在汽车上连续使用12个月,响应衰减了6.8%,响应正常时间为6.3个月。表明了以TS6为敏感薄膜的氨气传感器可用于汽车选择性催化还原(SCR)系统氨气泄露在线检测。     

基于pH-ISFET片上系统的研究

采用标准CMOS工艺实现了基于pH-ISFET微传感器与读出电路的单芯片集成,该芯片包括差分结构ISFET/REFET传感器、金属准参比电极、恒流源和前级读出电路.芯片采用商用0.35μm,4-金属和2-多晶硅标准CMOS工艺流片,整个芯片面积2mm×2.5mm,工作电压3.3V.在标准CMOS工艺代工的基础上,设计并实现了合理的后续工艺流程.微传感系统获得53.65mV/pH的灵敏度和很好的线性度.由此说明,把ISFET微传感阵列与集成电路集成在单个芯片上构建智能型片上系统(SOC)是完全可能的,应用前景良好.     

纳米颗粒TiO2和SiO2对碳纤维/超高分子量聚乙烯复合材料力学和摩擦学性能的影响

采用UMT-5型摩擦磨损试验机和万能材料试验机考察TiO_2和SiO_2两种纳米颗粒对碳纤维(CF)/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料摩擦学性能和力学性能的影响,利用扫描电镜观察复合材料断面形貌和磨痕表面形貌。结果表明:纳米TiO_2和SiO_2的加入可以改善碳纤维与树脂之间的界面结合强度,从而改善了CF/UHMWPE复合材料的力学性能;在3种复合材料中,纳米TiO_2增强复合材料具有最好的耐磨性。纳米TiO_2和SiO_2的加入可以有效地分散碳纤维表面的应力集中,从而可以改善复合材料的耐磨性,使得CF/UHMWPE复合材料的磨损机制由严重的塑性变形变为轻微的塑性变形。     

TiO2纳米管的制备及其在化学需氧量测定中的应用研究

在纯钛表面采用电化学阳极氧化法制备有序的高密度TiO2纳米管阵列，对TiO2纳米管进行X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征，结果表明氧化钛纳米管膜层的相结构与热处理有关，经500℃热处理后具有光催化活性的锐钛矿型。将其用于化学需氧量（COD）的测定，以葡萄糖为响应底物，考察了TiO2纳米管光电催化传感器的光电催化行为，结果发现该传感器的光生电流值与20～800mg／L范围的COD值有良好的线性响应，检测限为10mg／L，相关系数为0．9977。利用该传感器测定废水样品的COD值，结果与传统的K2Cr207法相吻合。用TiO2纳米管制备的传感器具有测试速度快，不需有毒、昂贵试剂等优点，具有广阔的应用前景。     

巯基丁二酸镍(Ⅱ)自组装单分子层修饰金电极的制备及H2O2传感器的研制

制备了巯基丁二酸镍(Ⅱ)(NiL-SH)自组装单分子层修饰金电极,制做了测定H2O2 的电流型生物传感器.NiL-SH在电极表面有一个不可逆的还原峰,传感器对H2O2的还原具有快速电催化响应(＜10s).采用电子扫描电镜(SEM)对电极表面进行了表征,探讨了电极的电化学反应性质.研究了各种因素,如pH、工作电位等,对传感器响应电流的影响.用循环伏安法测定H2O2,线性范围为5.0×10-6～3.0×10-3mol /L (R = 0.999),检出限为2.0×10-6mol/L.该电极具有模拟酶特性,米氏常数KappM＝2.78mmol/L.实验表明,传感器的稳定性、灵敏度和选择性都比较好,可以用于现场测定.     

纳米复合结构Pt/TiC/TiO_2催化剂的合成及催化甲醇氧化性能

确定了水热法制备TiO_2纳米线的最佳参数,对采用最佳参数制备的TiO_2纳米线进行碳化处理,再在其表面沉积铂得到Pt/TiC/TiO_2催化剂,研究了不同阶段产物的物相组成、化学成分和微观形貌,测试了Pt/TiC/TiO_2催化剂的催化甲醇氧化能力。结果表明:最佳水热参数为NaOH溶液浓度1 mol·L-1、水热温度160℃、水热时间20h,所得TiO_2纳米线的直径约为100nm、长度超过1μm;碳化后得到了TiC/TiO_2纳米线,沉积铂后,其表面被纳米级铂颗粒所覆盖;Pt/TiC/TiO_2催化剂催化甲醇氧化的起始氧化电位(对比Ag/AgCl)为0.34V,比Pt/TiO_2催化剂催化下的负移了约0.15V,其正扫电流密度峰值比Pt/TiO_2催化剂催化下的大8倍以上,碳化明显提高了Pt/TiO_2催化剂催化甲醇氧化的能力。     

深度与形貌检测的仿生磁致伸缩触觉传感器设计及实验测试

物体表面形貌深度信息对于智能机器人检测物体表面特征、人机交互具有重要意义。 受动物毛发感知机理启发,设 计了一种新型仿生磁致伸缩触觉传感器单元及阵列;基于逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁理论和胡克定律,推导了深度检 测的输出电压模型。 仿真研究确定了最佳偏置磁场和阵列间距,实验测试了传感器单元在静态和动态下的输出特性,在 0. 05~ 4. 8 mm 深度检测范围内,灵敏度为 185. 72 mV/ mm,响应时间和恢复时间分别为 31 ms 和 43 ms,且具有良好的重复 性,传感器阵列中单元之间输出电压的耦合影响不超过 2. 4% 。 将传感器单元及阵列安装在机械手上,选择合适的滑动速度 滑过不同物体表面时,根据输出电压波形精确测量各种深度和形貌,结果表明该传感器单元和阵列可为深度与形貌检测提 供参考。     

耦合式 MEMS 微波功率传感器的研究

为了从根本上解决在线式微波功率传感器灵敏度、动态范围和微波性能之间的矛盾,本文创新性地设计出一种耦合在 线式 MEMS 微波功率传感器,将微波功率的提取和检测两个过程相互独立。 根据理论解析模型,得到了灵敏度特性与耦合度 的关系,分析对比了耦合度分别为 10% 和 20% 时的微波特性及灵敏度特性差异。 实验结果表明:两种耦合式 MEMS 微波功率 传感器的反射损耗均小于-20 dB,说明具有良好的反射性能;两种耦合式 MEMS 微波功率传感器的插入损耗均大于-1. 5 dB,说 明具有良好的传输性能。 耦合度 10% 的系统灵敏度为 1. 2 mV/ W @ 9 GHz、1. 4 mV/ W @ 10 GHz 和 0. 8 mV/ W @ 11 GHz,耦合 度 20% 的系统灵敏度为 2. 4 mV/ W @ 9 GHz、2. 4 mV/ W @ 10 GHz 和 1. 3 mV/ W @ 11 GHz,并具有良好的线性度。 本文对于 MEMS 微波功率传感器研究具有一定的参考价值。     

多层Au-Pd核壳纳米颗粒膜增敏的光纤氢气传感器

高灵敏度、快速响应的光纤氢气传感技术是未来氢气传感技术的发展方向,对保障氢能系统安全具有重要意义。针对纳米尺度的钯基氢敏材料难以与光器件耦合的问题,本文采用水相合成及离心沉积方法制备具有快速氢气响应特性的Au-Pd核壳纳米颗粒膜,搭建了含有Au-Pd核壳纳米颗粒氢敏膜阵列的透射式传感系统,实现了光信号与多层纳米颗粒膜阵列的耦合,通过提高敏感材料对光信号的调制能力增强了传感器的灵敏度。实验研究表明,本文制备的AuPd核壳纳米颗粒膜粒径为48nm,Pd层厚度约为4nm。该敏感薄膜对4%浓度氢气的响应时间小于3s,且在循环测试中显示了良好的重复性和稳定性。通过3片薄膜阵列传感,在不影响传感器响应速度的同时将传感器灵敏度提升至最高,为单片膜的2.7倍。该研究为开发高性能光纤氢气传感器提供了重要指导。     

氨水挥发法制备氮掺杂TiO_2纳米管及表征

采用阳极氧化法在纯钛片表面制备了TiO_2纳米管,在随后的热处理过程中通过浓氨水受热挥发提供的氨气氛下进行掺氮,采用SEM、XRD、XPS对氮掺杂的TiO_2纳米管进行了表征,采用自制光催化污水处理装置研究了氮掺杂对TiO_2纳米管光催化性能的影响。结果表明:制得的TiO_2纳米管管径为80～90nm,壁厚为5～10nm;经400℃热处理后,未掺杂、氮掺杂TiO_2纳米管的晶型相同;氮掺杂使TiO_2纳米管的光催化性能提高了4.7%。     

以Amberlite LA-2为载体的PVC膜pH电极

本文对以Amberlite LA-2为中性载体的PVC膜pH电极进行了研究。电极线性范围为pH5.5—12.0(6.5pH单位),斜率为-57.3±0.5mV/pH(18℃)电极内阻低,响应速度快,性能较稳定,适于测定血清等试样的pH值。     

纳米TiO_2敏感膜修饰的QCM气体传感器检测氨气的研究

主要介绍了纳米TiO2修饰的QCM(Quartz Crystal Microbalance)气体传感器的制备与测试。在石英晶振片表面制备纳米TiO2敏感膜,构成QCM氨气传感器。检测系统为自主研发的基于LabVIEW平台的QCM气体传感器频率测试软件。检测氨气的体积分数为1×10-5~5×10-5,响应时间均在10 s以内,响应最大频差值与氨气浓度呈现良好的线性关系,相关系数为0.999 4。室温条件下,纳米TiO2敏感膜可以完全实现吸附解吸过程,具有可逆性。该传感器性能稳定,响应灵敏,具有重复性。     

基于ICA的气体模式识别方法研究

文中提出一种基于独立成分分析的非监督气体模式识别方法,用多元统计理论中的独立成分分析(independent component analysis-ICA)来分析金属氧化物半导体气体传感器阵列响应数据,进而实现对不同种类气体的分类.对所设计的电子鼻实验系统测量得到的气体传感器阵列稳态响应数据进行了白化和快速定点独立成分分析(FastICA)处理.实验结果表明该方法对区分一氧化碳(CO)、甲烷(CH_4)和氢气(H_2)3种气体有很高的识别率.     

多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在MEMS(微机电系统)压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用了多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并给出这种传感器的设计方法。分析了牺牲层结构弹性膜片的应力分布对传感器灵敏度的影响,优化设计了量程为0~0.2 MPa多晶硅纳米膜压力传感器芯片的结构参数。有限元法仿真结果表明:在保证传感器灵敏度大于50 mV/(MPa.V)的前提下,零点温漂系数可小于1×10-3FS/℃;灵敏度温漂(无电路补偿)可小于1×10-3FS/℃.为高灵敏、低温漂、低成本的高温压力传感器集成化发展提供了一条可行途径。     

一维纳米金属氧化物半导体材料气、湿敏特性的研究

分别采用水热和静电纺丝法制备出一维ZnO、TiO_2、SnO_2纳米材料,并对其气、湿敏特性进行了研究.结果表明一维纳米材料具有非常快的响应恢复速度:水热法制备的花状ZnO纳米棒束由11%RH到95%RH的响应时间约为5 s,恢复时间约为10 s;静电纺丝法制备的掺杂KCl的TiO_2纳米纤维由11%RH到95%RH的响应时间为3 s,恢复时间约为4 s;静电纺丝法制备的SnO_2纳米纤维对50 ppm(1 ppm=10-6)甲苯气体的响应时间仅为1 s,恢复时间约为5 s.     

用QCM研究HMDS处理纳米ZnO的湿度测试对比

基于QCM的气体传感器具有灵敏度高、结构简单等优点,是有潜力的气体传感器.但是,存在着选择性差的问题,而工作过程环境气体因素,如水蒸汽、有机挥发性气体(VOCs)等的影响,是必须解决的问题.首先,以石英晶体微天平传感器(QCM)为测试平台,研究以纳米ZnO作为敏感膜的湿度检测敏感特性.实验结果表明:纳米氧化锌作为敏感膜,在一定的湿度范围内有很高的灵敏度和重复性.其次,用六甲基二硅胺烷(Hexamethyl disilazane,HMDS)对纳米ZnO膜进行处理时发现,与未用HMDS处理的纳米ZnO膜相比较,该纳米ZnO对湿度的响应敏感度明显降低,特别是在高湿度时.进一步的研究发现,用HMDS处理后的纳米ZnO膜对有机气体,如乙醇仍有很好的响应.该种特性可以被用来开发对水蒸汽具有抗干扰能力的气体传感器.     

射频供能的CMOS视网膜修复微芯片

提出了一种用于视网膜修复的电路,它由射频能量处理单元和光控振荡阵列构成.能量处理单元将谐振感应的射频能量信号处理成光控振荡阵列所需的1.8 V、3 mA直流电源,电压敏感系数为6 mV/V.光控振荡阵列是整个电路的核心.该阵列每个像元都是一个独立的振荡单元,其输出信号的频率与入射光强度成比例,且在电路的动态范围内,输出信号脉宽始终保持恒定.在标准0.6 μm CMOS工艺下完成了电路的设计和流片.测试结果表明,本文提出的视网膜修复电路具有动态范围大(约72 dB)、功耗小(1.6～3.3 μW/pixel)和像元面积小(约2 500 μm2)等优点,适合用于视网膜修复.