【摘 要】
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湿度作为一个物理量在许多领域都有着重要影响,健康的生活和安全的社会生产都离不开对湿度的测量,高性能的湿度传感器一直是科学研究的热点。QCM传感器是一种新型的质量敏感
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湿度作为一个物理量在许多领域都有着重要影响,健康的生活和安全的社会生产都离不开对湿度的测量,高性能的湿度传感器一直是科学研究的热点。QCM传感器是一种新型的质量敏感器件,以石英晶体为换能器将表面的质量信号转换为频率信号输出,它具有灵敏度高、实时数字频率输出、稳定性好、应用成本低等优点。目前QCM在湿度检测领域的应用研究已经成为学者们关注的焦点。为实现基于QCM的氧化石墨烯(GO)薄膜湿敏检测系统及其传感特性研究,本文主要开展了以下研究工作:探讨石英晶体的基本理论并对比各种常用的QCM信号检测方法,综合考虑各种因素后决定用普通振荡电路作为QCM的驱动电路。考虑到QCM因为温度、压强及自身老化带来的频率漂移,采用差频电路来降低这些因素的影响。设计四阶巴特沃斯低通滤波电路以减小高次谐波对QCM输出频率的干扰,在完成硬件电路设计的同时基于STM32与LabVIEW设计下位机与上位机程序,最终完成QCM信号检测平台的设计。基于GO的湿敏特性,采用静电自组装技术与原位聚合方法制备PANI/GO、PDDA/GO、PANI/SnO2/GO薄膜型QCM湿度传感器,实现聚合物与金属氧化物对GO的有效修饰。利用XRD、SEM、FT-IR以及其他表征技术对湿敏薄膜的表面形貌、微观结构等特征进行了研究分析。利用QCM信号检测平台测试QCM传感器对湿度的动态切换响应、响应/恢复时间、重复性、稳定性、选择性等湿敏特性,利用阻抗分析仪测试研究了QCM传感器的谐振特性。基于敏感材料的理化特性、聚合物与金属氧化物的修饰作用、分子吸附动力学模型等角度,揭示了复合薄膜对湿度的敏感响应机理。本课题设计QCM信号检测系统并探索了在QCM上制备纳米修饰GO薄膜传感器件的湿度敏感特性,最终研制出具有高灵敏度的QCM湿度传感器,为湿度传感装置的发展提供了重要的理论指导与工程参考,对湿度的准确快速检测具有重要的借鉴参考价值。
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