LC無源無線氣體傳感器的制備及對NH3氣敏特性的研究*

郭曉威,譚秋林*,郭彥杰,周天浩,翟成瑞

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;)

LC無源無線氣體傳感器的制備及對NH3氣敏特性的研究*

郭曉威1,2,譚秋林1,2*,郭彥杰1,2,周天浩1,翟成瑞1

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;)

采用酸化后的碳納米管與聚苯胺摻雜作為傳感器的氣敏材料。通過絲網印刷技術將無鉛鋁漿印刷在氧化鋁陶瓷基板上形成電感線圈,并將制備好的氣敏材料涂覆到電感線圈上,制備出LC諧振式無源氣體傳感器。制作成氣體傳感器后在NH3氣氛中進行測試分析,實現了在密閉環境下的非接觸測量。重點分析了在室溫下NH3氣體的濃度對傳感器諧振頻率f0的變化及響應恢復時間的影響,結果表明氣體濃度在300×10-6時,傳感器的靈敏度為4.499 MHz。

無線無源傳感器;碳納米管;氣敏特性;LC諧振

氨氣是一種無色有刺激性氣味的氣體,在工業、農業中有廣泛的應用。氨氣不僅對人的眼、鼻、喉等有刺激作用,還會使組織蛋白質變性并破壞細胞膜,因此對氨氣的檢測是十分必要的[1-3]。為了有效的檢測這些氣體的排放,人們采用氣敏傳感器對其進行檢測。目前傳統的氣敏傳感器大多是有源傳感器,它們都有一個共同的特點就是需要電源供電,這樣就導致了傳感器壽命年限短,不能在高溫下工作等,其應用領域受到了很大的限制[4-5]。近年來,隨著無線無源技術的發展以及環保生活的提倡,無線無源氣體傳感器已經成為了未來研究的新方向。而本文中所設計的無源無線氣體傳感器其內部不需要使用電源供電,隨之而來就具備了兩個天然的優勢:一是不需要更換電池,理論上是具有無限壽命的;二是能在某些特殊環境下使用,比如密閉環境,高溫環境等等[6-7]。

1 傳感器測試原理

本文所設計的傳感器基于LC諧振原理,采用線圈耦合的方式,即采用一個測試線圈置于傳感器的底部,通過測試線圈和傳感器的電感之間的電感耦合來獲得傳感器的諧振頻率[8-9]。外部讀取天線和傳感器的等效電路如圖1所示。

圖1 外部讀取天線和傳感器的等效電路

圖1中,La和Ra為外部讀取天線的寄生電感和電阻。Ls、Rs、Cs分別為氣體傳感器諧振回路的寄生電感、電阻和敏感電容。k為La和Ls之間的互感。

由于在電感線圈上涂覆了氣敏材料后,氣敏材料等效成了疏松多孔狀的氣敏層[10],敏感電容等效為Cs=C1+C2,結構原理如圖2所示。

圖2 傳感器結構原理圖

氣敏層對氣體分子敏感,當氣體分子吸附進氣敏層時,氣敏層的相對介電常數εr會發生改變,繼而影響到敏感電容C1發生改變[11-12],敏感電容表達式如(1),ε0為真空介電常數,a為氣敏層的涂覆面積,t為氣敏層的厚度,最終表現為傳感器的諧振頻率f0隨著氣體的吸附量而發生改變,諧振頻率表達式如式(2)。C2是基底存在的寄生電容,本文中傳感器的基底為氧化鋁陶瓷材料,在一定溫度范圍內屬于絕緣體,襯底的電容比較大,因此可以忽略襯底的影響[13-14]。

(1)

(2)

2 實驗部分

2.1 氣敏材料的制備

將碳納米管進行酸化,具體酸化過程:在室溫下,配制體積比為3∶1的濃H2SO4與濃HNO3的混合溶液,稱取一定量的碳納米管粉末(中國科學院成都有機化學有限公司)加入到混合酸溶液當中浸泡30 min,溫度保持在135 ℃,待充分沉淀并冷卻到室溫后,將上層液倒掉,加入適量的去離子水在超聲清洗機中超聲分散2 h,真空抽濾出碳納米管,反復用去離子水沖洗直至中性,在60 ℃下烘干,得到酸化后的碳納米管。將改性后的碳納米管與實驗室制備的聚苯胺按2∶3的比例進行摻雜,在瑪瑙研缽中研磨均勻,加入適量的去離子水調制成漿料,備用。

2.2 LC諧振式無源氣體傳感器的制備

采用絲網印刷技術將無鉛鋁漿印刷在氧化鋁陶瓷基板上形成電感線圈,電感線圈的大小為12 mm,線寬和線距分別為0.4 mm、0.3 mm;然后在高溫爐內進行燒結形成LC諧振式傳感器;接著在電感線圈上涂上一層電絕緣保護層SiO2層(由于碳納米管和聚苯胺具有導電性),防止氣敏材料與電感線圈直接接觸導致傳感器失靈,起不到檢測的作用;最后將調試好氣敏材料的漿料均勻的涂到SiO2層上,涂抹要均勻,厚薄要統一,室溫下放置在陰涼處晾干,待干燥后放在150 ℃的加熱臺上加熱2 h,用來加強傳感器的穩定性并使氣敏膜完全干燥,具體制備流程如圖3所示。

圖3 氣體傳感器制備流程

圖4 測試平臺示意圖

3 結果與討論

3.1 響應與恢復特性分析

圖5顯示了在300×10-6的NH3氣氛中,傳感器吸附氣體的響應曲線圖。可以看出:f0隨著氣體分子的吸附逐漸減小,當吸附一定時間后會保持不變,說明吸附量已接近穩定,其靈敏度為4.499 MHz。

圖5 氣體吸附響應曲線

圖6為300×10-6的NH3氣氛中響應時間及恢復時間的曲線。響應時間為目標氣體接觸傳感器開始到他的頻率達到穩定值后所需時間的90%;恢復時間為氣敏傳感器離開目標氣體開始到傳感器的頻率恢復到固有頻率所需時間的90%。可以看出:當通入目標氣體時,f0隨著氣體分子吸附的變化而變化,當反應一定時間后,會保持不變,繼續通入空氣后,又會恢復到原來的狀態。由此可以得出:響應和恢復時間分別是516 s和305 s。

圖6 響應恢復時間曲線

圖7 濃度與靈敏度的曲線圖

3.2 靈敏度與濃度特性

圖7是在0～3 000×10-6的NH3氣氛傳感器的靈敏度與濃度的變化曲線圖。從圖中可以看出:該傳感器具有較廣的濃度檢測范圍,在0～1 000×10-6隨著NH3濃度的增加,靈敏度變化明顯。而達到1 000×10-6后,隨著NH3濃度的增加,靈敏度變化較小,說明當NH3氣體達到一定濃度后,傳感器的靈敏度逐漸達到了飽和狀態,諧振頻率基本保持不變。

圖8是在100×10-6、300×10-6、500×10-6和1 000×10-64種不同濃度的NH3氣氛中傳感器的響應恢復時間特性曲線圖。可以看出:4種濃度下的靈敏度分別為2.061 MHz、4.499 MHz、9.079 MHz和11.361 MHz,具有較大的變化。并且在不斷變化的濃度中進行吸附和脫附實驗,傳感器的響應恢復時間和靈敏度都是穩定的,表明該傳感器具有良好的重復性。

圖8 NH3 4種濃度下響應恢復時間曲線

3.3 傳感器的選擇性和穩定性

圖9顯示了氣體傳感器在300×10-6下氨氣、乙醇、丙酮氣體氣氛中靈敏度的柱狀圖,從圖中可以看出:3種氣體氣氛中,NH3氣氛中的靈敏度達到4.499 MHz,而在C2H5OH和CH3COCH3氣氛中靈敏度分別為0.848 06 MHz和0.281 18 MHz。說明在該條件下此傳感器對NH3氣體的選擇性較好。

圖9 傳感器對3種氣體的靈敏度

圖10 傳感器的穩定性

圖10是傳感器在100×10-6、300×10-6和500×10-6的NH3氣氛中穩定性曲線圖,從圖中可以看出:經過長時間連續工作,傳感器的靈敏度變化很小,表明該傳感器具有良好的穩定性。

4 結論

本文設計了一種基于氧化鋁陶瓷基底的無線無源氣體傳感器,通過改性后的碳納米管與聚苯胺作為氣體傳感器的氣敏層,氣敏層通過物理吸附NH3氣體分子的方式作用到傳感器上,通過諧振頻率的變化實現了無線無源的測量。經過測試表明該傳感器具有較廣的濃度檢測范圍,并且在300×10-6的NH3氣氛下靈敏度可達4.499 MHz。此外,在條件相同的情況下對NH3的選擇性較好,經過重復性測試表明該傳感器具有良好的重復性。

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郭曉威(1990-),男,山西呂梁人,碩士,中北大學儀器與電子學院,研究方向為無線無源氣體傳感器,18234157656@163.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,教授,博導,中國微米納米技術學會高級會員,國際重要學術期刊Sensors and Actuators B,Optics Communications,Sensors 的通訊審稿人,研究方向為光學氣體傳感器及檢測技術、無線無源微納傳感器及微系統集成技術、無線傳感器網絡及射頻技術、數據采集及存儲技術,tanqiulin@nuc.edu.cn。

PreparationofLCWirelessPassiveGasSensorandStudyontheGasSensingPropertiesofAmmoniaGas*

GUOXiaowei1,2,TANQiulin1,2*,GUOYanjie1,2,ZHOUTianhao1,ZHAIChengrui1

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

By using acidified carbon nanotubes doped with polyaniline as gas sensitive material of the sensor. The prepared gas sensitive material is coated with the inductance capacitance coupled circuit which is prepared by screen printing technology,fabricatingLCresonant passive gas sensor. In the NH3atmosphere,we can test the prepared gas sensor so as to achieve the non-contact measurement in a closed environment. Via focusing on the analysis on the influence of the concentration of NH3gas to the resonant frequency of the sensor and the response recovery time at room temperature,the results show that the sensitivity of the sensor is 4.499 MHz at 300×10-6.

wireless passive sensor;carbon nanotubes;gas sensing properties;LCresonance

TP212

A

1004-1699(2017)11-1643-04

項目來源:國家自然科學基金項目(61471324)

2017-04-28修改日期2017-07-11

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.005