LC無源無線氣體傳感器的制備及對(duì)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(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;)

LC無源無線氣體傳感器的制備及對(duì)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(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wǎng)印刷技術(shù)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(jìn)行測試分析,實(shí)現(xiàn)了在密閉環(huán)境下的非接觸測量。重點(diǎn)分析了在室溫下NH3氣體的濃度對(duì)傳感器諧振頻率f0的變化及響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間的影響,結(jié)果表明氣體濃度在300×10-6時(shí),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(yè)、農(nóng)業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。氨氣不僅對(duì)人的眼、鼻、喉等有刺激作用,還會(huì)使組織蛋白質(zhì)變性并破壞細(xì)胞膜,因此對(duì)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(duì)其進(jìn)行檢測。目前傳統(tǒng)的氣敏傳感器大多是有源傳感器,它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是需要電源供電,這樣就導(dǎo)致了傳感器壽命年限短,不能在高溫下工作等,其應(yīng)用領(lǐng)域受到了很大的限制[4-5]。近年來,隨著無線無源技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)保生活的提倡,無線無源氣體傳感器已經(jīng)成為了未來研究的新方向。而本文中所設(shè)計(jì)的無源無線氣體傳感器其內(nèi)部不需要使用電源供電,隨之而來就具備了兩個(gè)天然的優(yōu)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(huán)境下使用,比如密閉環(huán)境,高溫環(huán)境等等[6-7]。

1 傳感器測試原理

本文所設(shè)計(jì)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(gè)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(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

氣敏層對(duì)氣體分子敏感,當(dāng)氣體分子吸附進(jìn)氣敏層時(shí),氣敏層的相對(duì)介電常數(shù)εr會(huì)發(fā)生改變,繼而影響到敏感電容C1發(fā)生改變[11-12],敏感電容表達(dá)式如(1),ε0為真空介電常數(shù),a為氣敏層的涂覆面積,t為氣敏層的厚度,最終表現(xiàn)為傳感器的諧振頻率f0隨著氣體的吸附量而發(fā)生改變,諧振頻率表達(dá)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(nèi)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(shí)驗(yàn)部分

2.1 氣敏材料的制備

將碳納米管進(jìn)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(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司)加入到混合酸溶液當(dāng)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(jī)中超聲分散2 h,真空抽濾出碳納米管,反復(fù)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(shí)驗(yàn)室制備的聚苯胺按2∶3的比例進(jìn)行摻雜,在瑪瑙研缽中研磨均勻,加入適量的去離子水調(diào)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(wǎng)印刷技術(shù)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(nèi)進(jìn)行燒結(jié)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(hù)層SiO2層(由于碳納米管和聚苯胺具有導(dǎo)電性),防止氣敏材料與電感線圈直接接觸導(dǎo)致傳感器失靈,起不到檢測的作用;最后將調(diào)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(tǒng)一,室溫下放置在陰涼處晾干,待干燥后放在150 ℃的加熱臺(tái)上加熱2 h,用來加強(qiáng)傳感器的穩(wěn)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(tái)示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 響應(yīng)與恢復(fù)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(yīng)曲線圖?？梢钥闯?f0隨著氣體分子的吸附逐漸減小,當(dāng)吸附一定時(shí)間后會(huì)保持不變,說明吸附量已接近穩(wěn)定,其靈敏度為4.499 MHz。

圖5 氣體吸附響應(yīng)曲線

圖6為300×10-6的NH3氣氛中響應(yīng)時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間的曲線。響應(yīng)時(shí)間為目標(biāo)氣體接觸傳感器開始到他的頻率達(dá)到穩(wěn)定值后所需時(shí)間的90%;恢復(fù)時(shí)間為氣敏傳感器離開目標(biāo)氣體開始到傳感器的頻率恢復(fù)到固有頻率所需時(shí)間的90%?？梢钥闯?當(dāng)通入目標(biāo)氣體時(shí),f0隨著氣體分子吸附的變化而變化,當(dāng)反應(yīng)一定時(shí)間后,會(huì)保持不變,繼續(xù)通入空氣后,又會(huì)恢復(fù)到原來的狀態(tài)。由此可以得出:響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別是516 s和305 s。

圖6 響應(yīng)恢復(fù)時(shí)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(dá)到1 000×10-6后,隨著NH3濃度的增加,靈敏度變化較小,說明當(dāng)NH3氣體達(dá)到一定濃度后,傳感器的靈敏度逐漸達(dá)到了飽和狀態(tài),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(yīng)恢復(fù)時(shí)間特性曲線圖?？梢钥闯?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(jìn)行吸附和脫附實(shí)驗(yàn),傳感器的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和靈敏度都是穩(wěn)定的,表明該傳感器具有良好的重復(fù)性。

圖8 NH3 4種濃度下響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間曲線

3.3 傳感器的選擇性和穩(wěn)定性

圖9顯示了氣體傳感器在300×10-6下氨氣、乙醇、丙酮?dú)怏w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(dá)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(duì)NH3氣體的選擇性較好。

圖9 傳感器對(duì)3種氣體的靈敏度

圖10 傳感器的穩(wěn)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(wěn)定性曲線圖,從圖中可以看出:經(jīng)過長時(shí)間連續(xù)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(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了無線無源的測量。經(jīng)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(dá)4.499 MHz。此外,在條件相同的情況下對(duì)NH3的選擇性較好,經(jīng)過重復(fù)性測試表明該傳感器具有良好的重復(fù)性。

[1] 李春香,陳大競,陳瑋,等. 氨氣檢測的聚苯胺碳納米管復(fù)合敏感膜的研究與應(yīng)用[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(3):302-305.

[2] Talwar V,Singh O,Singh R C. ZnO Assisted Polyaniline Nanofibers and its Application as Ammonia Gas Sensor[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2014,191:276-282.

[3] Sharma S,Hussain S,Singh S,et al. MWCNT-Conducting Polymer Composite Based Ammonia Gas Sensors:A New Approach for Complete Recovery Process[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2014,194:213-219.

[4] 王淵朝,彭斌,黃武林. 一種LC諧振無線無源溫度傳感器的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(10):1341-1344.

[5] 張昊. 無線無源輪胎壓力和溫度傳感器及監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 廣西工學(xué)院,2012.

[6] 張聰. LC型無源無線濕度傳感器理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 南京:東南大學(xué),2014.

[7] 黃燕. 無源無線溫濕壓傳感器電路系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 南京:東南大學(xué),2016.

[8] 羅濤,楊明亮,譚秋林,等. 耦合系數(shù)對(duì)無線無源傳感器信號(hào)讀取的影響[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(3):327-330.

[9] Xiong J,Li Y,Hong Y,et al. Wireless LTCC-Based Capacitive Pressure Sensor for Harsh Environment[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2013,197:30-37.

[10] Ma M,Khan H,Shan W,et al. A Novel Wireless Gas Sensor Based on LTCC Technology[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2017,239:711-717.

[11] Qiulin T,Hao K,Li Q,et al. High Temperature Characteristic for Wireless Pressure LTCC-Based Sensor[J]. Microsystem Technologies,2015,21(1):209-214.

[12] Jow U M,Ghovanloo M. Design and Optimization of Printed Spiral Coils for Efficient Transcutaneous Inductive Power Transmission[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,2007,1(3):193-202.

[13] 羅濤. 電容式多參數(shù)無源LTCC傳感器設(shè)計(jì)與集成方法研究[D]. 太原:中北大學(xué),2015.

[14] Chen L Y,Tee B C K,Chortos A L,et al. Continuous Wireless Pressure Monitoring and Mapping With Ultra-Small Passive Sensors for Health Monitoring and Critical Care[J]. Nature Communications,2014:5.

郭曉威(1990-),男,山西呂梁人,碩士,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,研究方向?yàn)闊o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(dǎo),中國微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,國際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B,Optics Communications,Sensors 的通訊審稿人,研究方向?yàn)楣鈱W(xué)氣體傳感器及檢測技術(shù)、無線無源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)技術(shù),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(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471324)

2017-04-28修改日期2017-07-11

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.005