介体型水质BOD生物电化学传感器研究进展

生物化学需氧量(BOD)是目前国际上用来衡量水质有机物污染的重要指标之一。由于水体中氧的溶解度非常低,以电子媒介体代替溶解氧为电子受体的介体型BOD生物电化学传感器以其快速、准确、稳定等优点得到了较快的发展。论述了介体型水质BOD生物电化学传感器的发展现状及研究动态,重点讨论了介体型水质BOD生物电化学传感器的工作原理、构成及类型,分析了不同类型传感器的优缺点,并对其核心部分-微生物膜的制备方法做了比较详细的介绍。     

直流离子流场发生装置优化设计

直流离子流场发生装置对电场传感器在离子流场环境下的测试标定具有重要作用,传统直流离子流场发生装置体积较大难于满足新型电场传感器研制和便携式现场应用,对此该文研究了一种缩小尺寸直流离子流场发生装置。基于理论计算和有限元仿真对装置尺寸、结构等关键参数进行了优化设计。采用在平行板边缘处等分电位的方法减少了边缘效应影响,有效增大了平行板间均匀电场区域,减小了均匀性误差。实验结果表明,在电晕丝电压7 kV时离子流场内不同位置离子流电流强度的相对平均偏差仅为1.66%,说明缩小尺寸的直流离子流场发生装置能够提供均匀的离子流场环境。     

BOD微生物传感器关键技术及其发展

生化需氧量(BOD)是表征水中有机污染物含量的重要指标,对水质监测和生化过程控制具有重要意义.总结了构成BOD检测系统的各环节,阐述了BOD微生物传感器中微生物选取、固定化以及换能器等关键技术,分析了不同方法的特点,讨论了目前BOD微生物传感器在研究中遇到的主要问题,并对其发展方向进行了展望.     

基于固定化电子媒介体的介体型BOD生物电化学传感器研究

研制一种基于固定化铁氰化钾电子媒介体的介体型生化需氧量(BOD)生物电化学传感器芯片.基于微机电系统(MEMS)工艺制备金圆盘微电极,通过电化学循环伏安法在金圆盘微电极表面制备了聚吡咯和铁氰根离子复合膜,研究了该修饰电极的电化学性质及该固定化媒介体参与微生物降解有机物的电子传递能力.结果表明,固定于聚吡咯中的铁氰根离子作为电子媒介体具有较强的电子传输能力,能够代替溶解氧参与微生物对有机物的降解生化反应,从而实现BOD的快速检测.     

基于旋转谐振结构的单芯片二维电场传感器

提出并研制了一种二维电场检测传感芯片,将四个电场测量微型单元和旋转式驱动微结构集成在3. 5 mm ×3. 5 mm的敏感结构上,实现了单芯片的电场二维测量.介绍了传感器的工作原理、敏感结构的设计,以及基于绝缘体上硅( SOI)工艺的单芯片微型二维电场传感器制备工艺技术.成功研制出传感器原理样机,研究了微型二维电场传感器的标定方法,开发了用于电场二维标定的测试装置,并在室温常压下对传感器进行了二维标定.实验结果表明:该传感器能够有效减小电场的轴间耦合干扰,测量误差优于7. 04%,线性度可达到1. 25%.     

新型推挽激励的谐振式微机械静电场传感器

为了提高传感器的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR),降低器件的耦合干扰,基于表面微机械工艺设计制作了一种新型推挽激励方案的谐振式微型静电场传感器.该传感器敏感结构主要包括静电梳齿激励电极、屏蔽电极和感应电极3部分.工作时,在该传感器敏感结构同一侧梳齿的固定端上加入反相相等的激励信号,实现差分激励,使屏蔽电极在谐振频率处振动,从而在感应电极上感应出差分电流信号,通过相关检测方式检测出传感器该输出信号的二次谐波分量,即可获得被测静电场强度大小.该传感器的新型结构设计和激励检测方案可获得最大电场响应灵敏度,并有效抑制了同频耦合串扰和共模噪声.常压室温(约25℃)测试结果表明,在量程(-15 kV/m～15 kV/m)内,只需要5 Vpp激励电压,其中线性度(端基线性度)达到了1.03%,分辨率优于200 V/m.     

Si-玻璃阳极键合失效机理研究

在采用Si-玻璃阳极键合技术制备微惯性传感器的过程中,实验发现键合圆片中心区域键合失效。通过对键合机理和工艺过程进行分析,认为湿法腐蚀工艺引入钾离子(K+)污染是造成键合失效的主要原因,也可以对键合失效现象给出合理的解释。改变工艺参数进行了键合对比实验,结果表明,未受K+污染的键合圆片没有发生键合失效现象。提出了解决键合失效问题的两种方案,并首次提出在Si片表面生长氧化层提高失效区键合强度的方法;从理论上分析了增加SiO2介质层的可行性。强度测试结果表明,在SiO2厚度为150nm时,键合剪切强度达到14MPa,验证了方案的可靠性。利用上述方法制备出微加速度传感器敏感结构。     

Si3N4微尺度薄膜的热物性

Si3N4薄膜被广泛应用于微机械和微电子器件中,其热物性在某些器件中显得很重要.为了研究Si3N4薄膜的热容、辐射、对流等热物性,文中设计出一种悬膜结构,并从理论上分析了此结构的传热机理.实验中利用微机械加工技术制作出不同尺寸和厚度的Si3N4微尺度悬膜,并通过测试得到了Si3N4薄膜的热学参数.     

一种 MEMS 三维电场传感器抗电荷干扰方法研究

三维电场传感器具有广泛的应用需求。在传感器应用环境中存在空间电荷的条件下,带电粒子有可能在电场传感器表面产生电荷积累,对电场检测造成干扰,这是影响测量准确性的一个关键因素。尤其对于MEMS三维电场传感器,尚缺乏相关的机理研究和解决方案。针对这个问题,作者探究了表面电荷积累对传感器感应待测电场的影响,分析了电荷积累产生的干扰与传感器结构尺度的关系,并通过有限元仿真和实验验证了理论分析的正确性。在此基础上,提出一种通过对传感单元感应信号的差分解算消除传感器表面电荷积累对电场测量影响的方法。本文研制出抗电荷干扰的三维电场传感器样机。实验表明,在0～30 kV/m待测电场范围内,传感器测量误差在4.2%以内。     

一种用于薄膜热容测量的微热量计的设计与制作

目前已发现并证实薄膜的热导率和热扩散率存在着尺寸效应。本文为了研究薄膜的另一个热学性质比热是否也具有尺寸效应,提出了一种用于薄膜热容测量的新方法,其相应的实验器件为一悬膜结构。从理论上阐述了其测量原理,结合ANSYS热学模拟设计并利用微机械加工技术制作出SiO2悬膜结构,悬膜由两个悬臂支撑,在悬膜上制作了Pt薄膜电阻同时用于加热和测温。这种结构加快了样品、悬膜和加热/测温电阻之间的热传递,减小了悬膜的热损失,提高了测量精度。