一种基于电子隧穿机制的柔性氢气传感器

氢气传感器在涉氢安全领域扮演着重要角色,随着可穿戴设备大量应用,柔性氢气传感器的发展日益受到重视。纳米粒子薄膜以其离散的纳米颗粒状结构和独特的电学响应性质成为了理想的柔性氢气敏感材料。通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底上沉积钯(Pd)纳米粒子薄膜构筑了一种柔性氢气传感器。通过上百次反复弯折,该传感器体现了较好的机械性能和电学稳定性,气敏性能在弯折循环前后无衰减。通过系统研究应变状态下的氢气响应性质,发现拉应变使Pd纳米粒子薄膜的氢气响应度增大,而压应变效应则相反。其原因主要归结为应变导致的纳米颗粒间距变化,拉应变产生的较大的纳米颗粒间距会使得传感器电流基线降低,且足够大的纳米粒子间距更能容纳Pd纳米粒子吸氢导致的晶格膨胀,反之亦然。此外,拉应变使Pd纳米粒子薄膜对氢气的响应时间显著缩短,而压应变产生的效果则相反。该氢气传感器探测范围达到0~10%,响应时间可达数秒量级,探测下限为25×10^-6。在低氢气浓度范围内,响应度ΔI/I0与P1/2H2呈现线性关系,对4%浓度氢气的响应度可达600%,灵敏度可达3.28% Pa-1/2。这些结果表明,该传感器具备优异的传感性能,在柔性气体传感器领域具有极大应用潜力。     

基于Au NPs-CeO2@PANI纳米复合材料固定化酶的葡萄糖生物传感器

制备了一种基于金纳米粒子(Au NPs)、氧化铈纳米颗粒(CeO2)和导电聚苯胺(PANI)的具有核壳结构的纳米复合材料(Au NPs-CeO2@PANI),利用该纳米复合材料和壳聚糖形成的复合膜成功实现了对葡萄糖氧化酶(GOD)的固定.采用透射电镜和X射线衍射对Au NPs-CeO2@PANI材料进行了表征.电化学方法研究了传感器性能,结果表明基于Au NPs-CeO2@PANI纳米复合材料修饰的葡萄糖生物传感器线性范围为6.2×10-6 mol/L～2.8×10-3 mol/L,响应时间为5 s,检测下限为1.0×10-6 mol/L;相同条件下Au NPs-CeO2@PANI纳米复合材料修饰的电极也显示出了比单一或二者复合的纳米材料修饰电极更优越的性能.     

一种高性能SiO2-SnO2氢气传感器

本文通过溶胶-凝胶法制备了介孔SiO2粉体,比表面积为1 148.02 m2/g,孔径约2.7 nm。通过丝网印刷的方法在SnO2气体传感器表面制备了介孔SiO2改性层,研究了改性层厚度对其气敏性能的影响。通过对500×10^-6和1 000×10^-6氢气、10×10^-6乙醇、10×10^-6丙酮和10×10^-6苯的测量,改性层对乙醇和丙酮的响应有抑制作用,对氢气的响应有显著的提高。当SiO2改性层厚度为15μm时,在250℃下,对1 000×10^-6氢气的响应值相对改性前传感器最大可提高到6.35倍。本文同时对选择性提高的机理进行了探讨。     

隧道磁阻加速度计温度补偿技术研究

隧道磁阻传感器具有灵敏度高、功耗低和体积小等特点。利用其高敏感特性,采用力、磁、电多物理场耦合可以实现加速度的高精度测量。针对存在的温度漂移问题,在研究隧道磁阻传感器温度误差产生机制的基础上,对其本身进行温度误差补偿;同时结合加速度计测量系统及其温度特性,采用Elman神经网络构建系统的温度补偿模型,并利用粒子群算法优化网络参数。实测数据表明,补偿后的加速度计标度因子温度系数从719×10^-6/℃减小为193×10^-6/℃,全温零偏极差从125 mg_n减小为5.2 mg_n,证明该方法能有效提升隧道磁阻加速度计的温度性能。     

掺杂CuO微纳米材料及其低温气敏性能的研究

采用水浴加热法合成CuO微米颗粒,并用Au、Ag和Cr元素进行掺杂。通过扫描电镜和X射线衍射仪对产物的形貌及组成进行表征,并将合成的粉体制成敏感膜,采用静态配气法对产物气敏性能进行研究。实验结果表明:制备合成的CuO颗粒呈微米片聚合成的橄榄或捧花状,尺寸范围在2μm～3μm;所有样品的XRD图谱与标准卡片一致;微米CuO的气敏性能随着测试温度的降低而提高。气敏测试表明:掺杂1.25 wt%Au的CuO对10×10^-6的H_2S气敏性能最好,最佳工作温度降低至40℃,响应值达到128,具有良好的选择性;此外,该传感器的最低检测下限达到100×10^-9,具有较好的重复性和长期稳定性,有望制备出低功耗H_2S气体传感器。     

表面碳化的硅纳米孔柱阵列的H2S室温电容传感特性

通过将硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)进行高温碳化处理,制备出一种SiC/Si-NPA复合纳米体系。对SiC/Si-NPA的表面形貌和结构表征揭示,生长于Si-NPA上的SiC薄膜由具有立方结构的SiC纳米颗粒组成,厚度为～200 nm。SiC/Si-NPA整体上保持了Si-NPA原有的柱状阵列结构特征。对浓度介于0～1 200×10-6的H2S气体的室温传感性能测试表明,SiC/Si-NPA对H2S气体的电容响应灵敏度可高达790%,而其对400×10-6浓度H2S气体的响应和恢复时间则分别为170 s和200 s,元件具有较好的测量重复性和稳定性。SiC/Si-NPA可能是一种室温条件下较为理想的H2S气体传感材料。     

基于曲面拟合的NDIR单通道CO2气体传感器快速标定算法

为了提高非色散红外(NDIR,Non-Dispersion Infrared)二氧化碳(CO₂)气体传感器的标定效率,提出一种针对NDIR单通道CO₂气体传感器的高效快速标定算法。首先采集m个传感器节点在不同温度、不同浓度下对应的电压值;然后对于每个节点,将它的数据点(温度,浓度,输出电压)进行曲面拟合,拟合后的曲面作为候选曲面;测量待标定传感器的6个在不同温度、不同浓度下对应的输出电压数据点,选择一个与这6个数据点最优匹配的曲面,以此作为待标定传感器的标定曲面。实验结果表明,算法标定准确性和可靠性高,按照5%+50×10^-6的精度,算法标定的数据合格率达到99%。     

基于多传感器的化工有害气体自动预警系统研究

有害气体信号传输过程中受到通道干扰影响,会导致预警效果不佳。为了提高化工有害气体自动预警效果,设计了一种应用多传感器采集信息的化工有害气体自动预警系统。首先,选择多个传感器采集化工有害气体相关数据,构建数据采集适应性函数,以避免出现数据采集误差。然后,结合粒子群算法进行多传感器数据采集,构建高斯烟羽扩散模型。最后,计算化工有害连续源气体稳定浓度和气体泄漏速度,并依据计算结果作自动预警。试验结果表明,该系统监测的C₂H₃Cl、SO₂浓度值与实际数据分别存在最大仅为0.02×10^-6、0.01×10^-6的误差。该系统的预警效果较好,具有一定应用价值。     

抵偿型CO传感器的制备及性能研究

以质量分数0.3的In2O3掺杂ZnO电极材料作为敏感电极,Pt为参比电极,在1200℃下烧结制备了(ZnO+质量分数0.3的In2O3)/YSZ/Pt结构的CO传感器。保持O2的体积分数为5%不变,在450℃~550℃下测试其对浓度为2×10-4的CO气体的响应。实验表明,工作温度为500℃时,传感器的响应值达到最大(-59 mV),接近未掺杂之前的两倍,使得传感器的灵敏度得到极大极高。为了克服C3H6气体的干扰(响应值在-50 mV以上),借鉴混合电位理论,用柱状形貌Cr2O3材料替代Pt做参比电极制备了抵偿型CO传感器,并测试其敏感性能。结果表明,该传感器对CO的响应值只减小了-11 mV(为-48 mV),而对C3H6的响应则呈现出大幅度衰减(-10 mV以下),明显提高了传感器的选择性。最后,对此现象,我们采用相应的传感器敏感机理进行了探讨。     

基于热电堆的新型高温薄膜热流传感器的研制

精确的热流测量对航空发动机设计至关重要,实时监测和获取发动机涡轮叶片表面精确的热流分布可以为航空发动机热端部件设计提供依据,也可以进行状态监测和故障诊断。薄膜热流传感器具有体积小、响应速度快、对工作环境的流动干扰小等优点。然而,目前能够应用于高温高热流环境中测量的薄膜热流传感器在灵敏度方面仍然存在较大的局限性。设计和制造了基于铂铑热电堆的新型高温薄膜热流传感器。该传感器由Pt/Pt-13Rh薄膜热电堆、底层SiO₂/Al₂O₃热阻层、顶层Al₂O₃保护层组成,底层SiO₂/Al₂O₃热阻层位于Al₂O₃陶瓷基底和热电堆之间。传感器分别在0～110 kW/m²的热流和1 000℃的温度下进行了测试。测试结果显示,传感器的输出与施加的热流表现出良好的线性关系,灵敏度为8.04×10^-6 V/(kW/m²),实...     

MgCl2·6H2O热分解过程的阿姆斯特丹密度泛函理论研究

利用阿姆斯特丹密度泛函理论对MgCl₂·6H₂O的热分解反应进行理论计算,结合对其热分解过程的实验研究数据,从理论层面探讨其热分解的机理,为掌握氯化镁水合物分解条件、控制反应路径,获取目标产物提供理论依据。通过ADF理论计算并结合实验研究得出,MgCl₂·6H₂O脱除HCl需要较高能量,为5246.59 kJ/mol,是MgCl₂·6H₂O脱除H₂O分子需要能量的6.45倍,是MgCl₂·5H₂O脱除H₂O所需能量的10.69倍。可见在同等温度条件下,MgCl₂·6H₂O首先发生的是脱除H₂O分子反应,在MgCl₂·6H₂O脱除2分子H₂O之前不会发生MgCl₂·6H₂O脱除HCl的反应。     

室温全固态电位型氢传感器研究 室温全固态电位型氢传感器研究

以磷钨酸(PWA)为基质,加入适量的P2O5,制备(H3PW12O40-H2O-H3PO4(PWAP)电解质,并研究了相对湿度对电解质电导率的影响。结果表明:PWAP电解质,室温电导率达到0.045S/cm;相对湿度在20～80范围内,电解质的电导率变化不大;在40℃下长时间放置,电解质的质量损失小于2,表明其常温保水性好。将电解质应用于氢气传感器中,利用混合压膜的方法制作传感催化电极和对电极,研制了室温全固态电解质氢气传感器。传感器的组成为:空气,Pt/C|PWAP|Pt/C,H2(在N2中),考察了传感器的电位响应值与氢气体积分数之间的关系,以及相对湿度对氢气传感性能的影响。     

电化学传感器测试富氢水中氢气体积分数的研究

提出利用复合电极测试富氢水中氢气体积分数的方法。试验表明:对于以2个铂丝分别作为工作电极和辅助电极,Ag/AgCl为参比电极的三电极体系,外部通以恒电位,工作电极维持在恒定的电位,可以实现敏感电极曲线。传感器对(0. 1～0. 8)×10-6体积分数的富氢水具有良好的传感性能,电化学传感器电流与氢气体积分数呈正比例线性关系,其响应时间低于5 s。     

立方锡酸镁/氧化锡复合氧化物的合成及其气敏性能

采用水热法制备MgSn(OH)6前驱体,经过高温煅烧得到了Mg2SnO4/SnO2复合氧化物立方纳米颗粒。采用XRD、SEM、EDS对煅烧前后样品的物相、形貌、组分进行了表征。在不同温度下测试了Mg2SnO4/SnO2复合氧化物气敏元件对甲醇气体的敏感性能。结果表明,该复合氧化物对甲醇气体具有良好的灵敏度和选择性。在最佳工作温度为300℃时对50×10-6~5 000×10-6浓度范围内的甲醇气体具有良好的线性关系,2 000×10-6时气敏元件的响应、恢复时间分别为12 s和8 s。     

基于动态时间规整的尾气估算船舶燃油硫含量方法

船舶尾气排放对环境造成了严重的污染，通过嗅探法检测船舶尾气中CO₂和SO₂浓度来估算船用燃油硫含量是一种有效的手段。目前对嗅探法采集到的数据基本通过人为分析并估算船舶燃油硫含量，使用算法对船舶燃油硫含量的估算较少。提出了一种基于动态时间规整(DTW)的船舶燃油硫含量估算方法，利用SO₂浓度的极小值划分区间，再利用动态时间规整对划分的时间序列区间的相似性进行判断，找出CO₂和SO₂较高浓度形成的波峰区间，计算波峰内区间硫含量，并通过所有区间硫含量的平均值来估算出船舶燃油硫含量。结果表明，在二氧化硫浓度范围为0.036×10^-6～6.618×10^-6下，通过该方法能够有效地找出波峰，估算值与真实值的偏差一般小于0.03%(m/m),估算值与人工选取峰值计算的结果相同。因此，该方法可以估算出船舶燃油硫含量。     

固体电解质电位型甲烷传感器的气敏性能研究

研究了甲烷浓度和工作温度对氧化锆基混合电位型传感器响应值的影响.以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质,氧化锡(SnO2)为工作电极的传感器对(200~1000)×10 -6浓度的甲烷具有良好的传感性能,传感器响应值与甲烷浓度的对数值呈良好的线性关系,传感器在650℃时具有良好的传感性能,其中响应时间和恢复时间均低至5 s.     

基于GA-WNN的电涡流传感器的温度补偿

针对电涡流传感器的温度漂移对其测量精度带来较大影响的问题,提出了基于遗传优化小波神经网络(GA-WNN)算法对电涡流传感器进行温度补偿修正模型。通过对电涡流传感器做标定实验,并且利用LM35温度传感器监测其工作温度,建立GA-WNN神经网络模型。该模型用遗传算法对小波神经网络的权、阈值进行全局的优化,改善了小波神经网络训练速度慢的问题,克服了易陷入局部最优的缺陷。研究结果表明,补偿后的灵敏度温度系数由8.69×10^-3/℃提升到3.48×10^-4/℃;零位温度系数由4. 78×10^-3/℃提升到1.85×10^-4/℃,均提高了一个数量级,成功实现了温度补偿的目的。     

基于VO2的超表面双气体传感器设计

针对传统矿用气体传感器易受温度和环境湿度等因素的影响而导致稳定性不高的问题,基于局域表面等离子共振原理和二氧化钒(VO₂)的相变特性,设计了一种基于VO₂的超表面双气体传感器。该传感器结构由上下三层组成,表面由多层金属-介电-金属(MDM)结构组成。根据VO₂的相变特点,通过改变施加的偏置电压,以电阻加热的形式加热金属板,精细控制VO₂的温度,通过改变VO₂的电导率来模拟VO₂的不同状态。当VO₂呈高温金属态时,上三层形成MDM结构,VO₂表现出金属性质,并在1 721.3 nm激发局域表面等离子体共振(LSPR),实现甲烷检测,传感器的吸收率为94.3%,甲烷灵敏度为4.21 nm/%。当VO₂呈低温绝缘态时,下三层形成MDM结构,在2 694.6 nm激发LSPR,实现氢气检测,传感器的吸收率为95.9%,氢气灵敏度为2.10 nm/%。当环境折射率发生变化时,VO₂     

超薄金属修饰石墨烯基气体传感器性能研究

为了改善本征石墨烯基电阻型气体传感器的室温气体响应性能,采用电子束蒸镀方法在原器件沟道区域分别沉积六种超薄金属,包括1 nm的Au、Ag、Pt、Pd、Ti和Al,并检测这些器件对NO_2和NH_3气体的响应特性。发现修饰有1 nm Pt的器件对通入3 min 3×10^-6 NO_2气体有最高的响应灵敏度,达-56.6%,比原石墨烯器件提高了约9.3倍,但该器件响应饱和较早。而修饰有1 nm Ti的器件对NO_2气体的响应在灵敏度、恢复性等方面都有较好改善,且对NO_2气体浓度有最佳的线性响应,表现出较大的动态探测范围。然而除1 nm Ti以外,修饰有其他五种金属的石墨烯对400×10^-6 NH_3的响应均没有明显改善。文章对不同金属材料修饰导致器件气体敏感性能差异的原因进行了分析与讨论。     

子铜掺杂纳米TiO2氢气敏感性研究

采用溶胶-凝胶法制备锐钛矿型纳米TiO2粉体,平均颗粒直径50 nm左右.在粉体中加入1-5 at% Cu作为催化剂,其以CuO形式存在.在氢分压1 000×10-6 H2/Ar,不同温度下(100～500℃)测定材料的电阻率变化,发现与纯纳米TiO2相比,掺Cu的纳米TiO2在整个温度区间均可提高材料的氢气敏感性,提高幅度在50%左右,研究了工作温度与响应时间的变化关系,发现掺Cu纳米TiO2在400℃表现有最好的气敏性,和最快的响应时间.对这种材料氢气气敏性及添加CuO的作用机理进行了分析.认为在纳米TiO2中加铜后,主要是CuO与吸附氢气的化学反应作用,后者是提高纳米TiO2材料气敏性和减少响应时间的主要原因.