基于MoSe2 納米結(jié)構(gòu)的乙醇?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)

周蘭娟， 杜 宸， 張冬至

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266580）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車的保有量不斷上升，我們的日常生活因?yàn)槠囎兊母臃奖?、舒適，但相對(duì)也帶來(lái)了許多交通隱患。在這些交通隱患中，大多都是因?yàn)轱嬀坪篑{駛汽車引起的，所以對(duì)乙醇濃度的檢測(cè)十分必要［1-4］。根據(jù)不同的氣敏材料和氣體傳感特性，乙醇?xì)怏w傳感器主要有半導(dǎo)體、固體電解質(zhì)、電化學(xué)、接觸式燃燒氣體傳感器，其中半導(dǎo)體氣體傳感器具有高靈敏度和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［5］。

本文利用新型二維納米材料MoSe2對(duì)乙醇?xì)怏w具有高靈敏度和響應(yīng)迅速的顯著優(yōu)勢(shì)，采用水熱合成方法制備了MoSe2薄膜傳感器。水熱法制備MoSe2具有成本低、晶粒結(jié)構(gòu)完整、分散均勻等特點(diǎn)。研究了MoSe2氣敏元件在不同濃度下對(duì)乙醇的氣敏響應(yīng)性能。設(shè)計(jì)了基于MSP430 微處理器的信號(hào)處理、通信電路，外部信號(hào)經(jīng)處理后直接輸出數(shù)字信號(hào)，分別通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)端，RS-232 總線與上位機(jī)相連［6-9］。結(jié)合LabVIEW技術(shù)設(shè)計(jì)了乙醇檢測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面［10-11］。

1 實(shí)驗(yàn)與制作

1.1 氣敏材料及傳感器制備

首先使用精密天平稱量硒粉末0.5 g，硼氫化鈉（NaBH4）0.1 g，鉬酸鈉晶體0.6 g。再使用注射器取25 mL的無(wú)水乙醇。將這些材料全部加入25 mL去離子水中使用攪拌器攪拌1 h。1 h 后將所得混合物轉(zhuǎn)移至100 mL高壓釜中并在200 ℃下加熱48 h（制備過(guò)程見(jiàn)圖1）。將制備好的二硒化鉬粉末添加到適量去離子水中，通過(guò)微量注射器滴涂在叉指電極上，烘干后即可得到乙醇?xì)饷粼?/p>

圖1 水熱合成二硒化鉬制備過(guò)程

1.2 儀器和表征

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示，數(shù)據(jù)采集裝置為Agilent 34970A。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232 總線傳送到計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和記錄存儲(chǔ)。通過(guò)向750 mL錐形瓶氣室內(nèi)中注射不同濃度的無(wú)水乙醇，測(cè)試不同濃度下薄膜傳感器的電阻響應(yīng)。乙醇在氣態(tài)下的濃度

圖2 氣敏實(shí)驗(yàn)裝置圖

式中：ρ代表液態(tài)乙醇的密度（g/mL）；T為液態(tài)揮發(fā)時(shí)的溫度（一般為室溫，K）；VS代表注入液態(tài)乙醇的體積（mL）；V為容器的容積（L）；M為乙醇的摩爾質(zhì)量，46 g/mL；ρ取0.789 g/cm3；T取298 K。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)所制備的MoSe2粉末進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。圖3 展示了二硒化鉬的表面形貌，是由納米片組成的納米花形狀；通過(guò)表征所得二硒化鉬的晶格間距為0.28 nm，其所對(duì)應(yīng)的晶面為（100）。

圖3 二硒化鉬的SEM、TEM圖

采用X射線衍射儀（XRD）和X 射線光電子能譜分析儀（XPS）對(duì)MoSe2進(jìn)行表征，結(jié)果如圖4、5 所示。由圖4 可以看出，MoSe2的主要衍射峰在14°，33°，37°，56°，65° 和71°。它們分別對(duì)應(yīng)著MoSe2的（002）、（100）、（103）、（110）、（200）和（203）晶面。由圖5（a）所示，在228.6 和231.85 eV處的兩個(gè)峰來(lái)自于Mo4＋3d3/2與Mo4＋3d5/2。在圖5 （b）中，Se2＋3d 光譜在54.26 和55.10 eV分別對(duì)應(yīng)S2－e3d5/2和S2－e3d3/2。

圖4 二硒化鉬XRD圖

圖5 不同結(jié)合能下二硒化鉬XPS圖

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

本檢測(cè)系統(tǒng)是以單片機(jī)MSP430G2553 為核心，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路、藍(lán)牙傳輸電路、上位機(jī)顯示電路組成，系統(tǒng)總體框圖如圖6 所示。通過(guò)惠斯通電橋、運(yùn)放芯片、電阻等元器件構(gòu)成信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。將收集到的電阻變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓變化信號(hào)，再通過(guò)MSP430G2553 內(nèi)置的8 通道十位ADC，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)；單片機(jī)處理信號(hào)后得出被測(cè)濃度，若濃度超出設(shè)定范圍則將喚醒聲光報(bào)警系統(tǒng)；單片機(jī)將處理后的信號(hào)傳輸?shù)狡聊籐CD1602 上；處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)HC-05 藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)端顯示，同時(shí)也通過(guò)RS-232 轉(zhuǎn)USB 總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 端的上位機(jī)LabVIEW中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲線顯示?；菟雇姌螂娐啡鐖D7 所示，由OP07CP 放大器和電阻元件組成，圖中：R1、R2是5 MΩ的固定電阻；R4是10 MΩ的固定電阻；R3＋R5為傳感器電阻；R6和R7則用來(lái)調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)。令R6＝R8、R7＝R9，經(jīng)簡(jiǎn)化可得電橋輸出電壓與傳感器電阻變化量之間的關(guān)系為

圖6 系統(tǒng)總體框圖

圖7 惠斯通電橋測(cè)量電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用了MSP430G2553 中內(nèi)置的一個(gè)8 通道十位ADC 模塊，8 通道表示有8 個(gè)ADC 引腳，可用于測(cè)量模擬電壓，十位表示ADC 的分辨率（210＝1 024），即ADC 值的范圍將從0 ～1 023。若參比電壓為UREF，則測(cè)量模擬電壓

乙醇檢測(cè)裝置見(jiàn)圖8，上位機(jī)使用LabVIEW VISA串口讀取單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，其程序框圖如圖9 所示，包括串口配置模塊、數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)讀取及顯示模塊。數(shù)據(jù)讀取及顯示模塊使用值及波形圖表在讀取當(dāng)前值的同時(shí)顯示數(shù)據(jù)的走向趨勢(shì)。

圖8 乙醇檢測(cè)裝置

圖9 LabVIEW程序框圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

研究不同濃度的乙醇環(huán)境下MoSe2薄膜乙醇傳感器的性能，對(duì)該傳感器在（0 ～5）× 10－6范圍內(nèi)進(jìn)行步長(zhǎng)為1 × 10－6的濃度響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。隨著乙醇濃度瓶?jī)?nèi)環(huán)境濃度的不斷增大，傳感器電阻顯著減小。對(duì)（1，2，3，4，5）× 10－6的響應(yīng)值分別為9.71、9.56、9.41、9.27、9.12 MΩ。當(dāng)環(huán)境濃度從0 變?yōu)? × 10－6的過(guò)程中，二硒化鉬傳感器的電阻下降了1 MΩ左右，且不同濃度環(huán)境下回到空氣瓶后，電阻基值仍能回到最初的基值，說(shuō)明了其具有良好的恢復(fù)性。傳感器的線性度是衡量傳感器性能的重要指標(biāo)之一，通過(guò)中傳對(duì)測(cè)試得到的在（0 ～5）× 10－6濃度范圍感器的阻值進(jìn)行擬合，得到一條近似線性的曲線，擬合曲線如圖11 所示。輸出電阻隨著氣體濃度的增大而增大，其擬合方程為y ＝－ 0.15x ＋9.869 2，擬合相關(guān)系數(shù)R2＝0.99，傳感器具有良好的線性特性。

圖10 傳感器對(duì)不同濃度乙醇?xì)怏w的響應(yīng)

圖11 乙醇?xì)饣瘽舛葴y(cè)量擬合曲線圖

上位機(jī)人機(jī)交互界面見(jiàn)圖12，包括上位機(jī)控制面板、氣體濃度實(shí)時(shí)值、氣體濃度趨勢(shì)曲線、輸出電壓趨勢(shì)曲線、串口參數(shù)配置等。在750 mL錐形瓶中配置濃度為3 × 10－6的乙醇環(huán)境，觀測(cè)到系統(tǒng)對(duì)乙醇具有良好的響應(yīng)。圖12 為上位機(jī)LabVIEW 測(cè)試截圖，分別給出了電壓值和乙醇測(cè)試濃度值的變化曲線。氣體注入后傳感器輸出響應(yīng)電壓增加而后平穩(wěn)，氣體釋放后傳感器輸出電壓恢復(fù)起始值。

圖12 上位機(jī)測(cè)試界面圖

3 結(jié) 語(yǔ)

文中采用水熱法制備MoSe2薄膜乙醇傳感器。測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器對(duì)乙醇?xì)怏w有較好的氣敏響應(yīng)以及線性特性。文中將新型二維納米材料二硒化鉬和乙醇?xì)饷魴z測(cè)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)化學(xué)方法制備了二硒化鉬，采用滴涂法制備了二硒化鉬傳感器件，并設(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)為核心的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)傳感器收集到的信號(hào)進(jìn)行采集與處理，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了實(shí)用的上位機(jī)交互界面，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、走向趨勢(shì)顯示等功能，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

·名人名言·

聰明的資質(zhì)、內(nèi)在的干勁、勤奮的工作態(tài)度和堅(jiān)韌不拔的精神，這些都是科學(xué)研究成功所需的其他條件。

——貝弗里奇