基于二维硫化物材料的LC无线无源湿度传感器研究

摘要

湿度参数监控在工业、农业、生活中具有重要意义。但在一些特殊环境下，如组织培养、珍贵文物保存、化学反应釜等密闭应用环境中和喷漆车间、矿井及易燃气体运输等危险环境中，传统的有线湿度传感器应用于这些环境中将面对寿命有限、安全隐患在内的诸多问题。此外，物联网的发展使得传统有线湿度传感器用于湿度监测也面临着诸多挑战，如工作效率低，布线复杂、维护成本高以及能耗高等问题。有鉴于此，本文提出了一种基于MX2材料的LC无线无源湿度传感器，该传感器避免了现有有线湿度传感器的应用缺点，扩大了湿度传感器的应用范围。本文的工作可分为以下几个部分： 1.对比了三种实现无线无源湿度参数测量的无线无源传感器技术，选定了LC无线无源传感器作为本文的研究路线并阐述了LC传感器的信号读取理论,进一步对比了光刻、纳米沉积、丝网印刷三种制造工艺，确定本文传感器的制作工艺为丝网印刷工艺； 2.提出一种基于MWCNTs/WS2复合材料的LC无线无源湿度传感器，使用HFSS仿真得到了不同耦合距离下传感器的S11-f曲线和电场分布云图并实验证明了湿度传感器的灵敏度与传输距离的相关性，确定了6mm为理想的耦合距离并在并在该耦合距离下测试了传感器在15-95％RH下的湿度敏感性能，从电化学角度分析了MWCNTs/WS2材料在不同传输距离下的感湿机制和不同湿度范围下的湿度传感器感湿机制。 3.提出一种基于MoS2纳米片的LC无线无源湿度传感器。通过仿真得到了LC无线湿度传感器的最佳耦合距离且通过测试结果证明传感器可用于10-95%RH下的湿度监测，在低湿度环境（10-60％RH）下，所制备的湿度传感器的灵敏度为2.79kHz/％RH，在高湿度环境（60-95％RH）下能够实现76.04kHz/％RH的灵敏度。传感器具有较好的响应恢复特性、迟滞误差以及稳定性。试验结果还表明，传感器可用于在15-40℃下进行湿度测量。最后，从质子迁移理论讨论了传感器在不同湿度范围内的湿度敏感机制。 4.提出了一种基于MoS2/Polyimide复合材料的LC无线无源湿度传感器，借助SEM、EDS、LSCM、XRD、FT-IR等分析仪器，表征分析了配制的MoS2/Polyimide复合纳米材料的形貌和物化特性。测试表明在低湿度(10-60%RH)范围内，传感器灵敏度为16.6kHz/%RH；在高湿度范围内（60-95%RH）,传感器的灵敏度可达153.59kHz/%RH。传感器的响应和恢复时间分别为7.2s和10.4s且具有较好的重复性能。基于不同湿度范围下传感器的湿度敏感性能的差异，从聚酰亚胺的化学基团结构和电化学理论角度分析了MoS2/Polyimide复合材料湿度敏感机理。此外，MoS2/Polyimide复合材料的呼吸监测测试结果表明根据传感器输出频率时间曲线的呼吸波形宽度和峰的高度可以鉴定快速呼吸，正常呼吸以及深呼吸三种模式，最短可测呼吸时间为1.2s。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 国内外研究现状与发展动态

1.3.1当前无线无源湿度传感器的国内外研究现状

1.3.2湿度敏感材料的研究进展

1.4 论文创新点

1.5 本论文的主要工作

第二章 无线无源湿度传感器的工作原理及材料敏感机理

2.1 引言

2.2 无线无源湿度传感器的分类及工作原理

2.3 LC无线无源湿度传感器测试理论及性能测试指标

(1) LC湿度传感器谐振频率测试理论

(2) LC无线无源湿度传感器的测试指标

2.4 无线无源湿度传感器的制备

2.5 湿度敏感材料敏感机理及敏感特点

2.5.1 过渡金属硫化物(TMDCs)二维纳米材料

2.5.2 碳纳米管的湿度敏感性质

2.5.3 聚酰亚胺的湿度性质

2.5 本章小结

第三章 MWCNTs/WS2湿度敏感性能研究

3.1 引言

3.2 湿度传感器设计与仿真

3.2.1湿度传感器的结构设计

3.2.2不同耦合距离下传感器的S11-f曲线和电场分布云图仿真

3.3 MWCNTs/WS2复合材料的配制、表征及器件制造

3.3.1 MWCNTs/WS2复合材料的配制与表征

3.3.2 MWCNTs/WS2复合材料传感器的制造

3.4 MWCNTs/WS2复合材料湿度传感器性能测试与机理分析

3.4.1 不同耦合距离下传感器湿度灵敏度测试

3.4.2 最佳耦合距离下传感器性能测试

3.4.3 MWCNTs/WS2湿度传感器感湿机理分析

3.5 本章小结

第四章 MoS2纳米片湿度敏感性能研究

4.1 引言

4.2 MoS2湿度传感器设计与仿真

4.2.1湿度传感器的参数设定与建模

4.2.2 耦合距离对湿度传感器的性能影响

4.3 MoS2纳米片湿度传感器的制备与表征

4.3.1 MoS2纳米片湿度传感器的制备

4.3.2 MoS2纳米片湿度传感器的表征

4.4 湿度传感器的性能测试和感湿机理分析

4.4.1 湿度传感器的性能测试

4.4.2 湿度传感器的感湿机理分析

4.5 本章小结

第五章 MoS2/Polyimide 湿度敏感性能研究

5.1 引言

5.2 MoS2/Polyimide复合材料的配制

5.2.1 实验试剂与仪器

5.2.2 MoS2/Polyimide纳米复合材料的合成及传感器的制备

5.3 MoS2/Polyimide材料的表征及分析

5.4 MoS2/Polyimide传感器湿度性能测试与敏感机理分析

5.4.1 MoS2、MoS2/Polyimide、Polyimide湿度传感器湿性能测试对比

5.4.2 MoS2/Polyimide湿度传感器湿度敏感性能测试

5.4.3 MoS2/Polyimide材料的湿度敏感机理分析

5.5 MoS2/Polyimide 湿度传感器呼吸监测性能测试

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢