基于聚苯胺和聚苯乙烯磺酸复合组装薄膜的氨敏传感器的研究与系统的实现

摘要

作为一种重要的化工材料，氨气在如今的生产生活中有着不可替代的作用，同时氨气又是一种有毒、易燃易爆的气体，在畜牧业中氨气也是一种公认的应激源，高浓度的氨气会对家畜动物等造成直接的危害，因此对周围环境中氨气含量的监测就愈发显得重要。传统的无机半导体氨气传感器往往选择性差、体积大、需要较高的温度才能工作而且传感器的响应时间也偏长。因而响应速度快、体积小、功耗低和输出稳定的氨气传感器就成为了当今氨气传感器发展的一个重要方向。
　　聚苯胺是一种制备简单、性质稳定、有着各种不同结构以及具有可掺杂特性的高分子材料。用质子酸把本征态的聚苯胺掺杂后，聚苯胺会从绝缘体变成具有较好导电能力的导体。本文从聚苯胺的性质和分子结构出发，简单列举分析了掺杂态聚苯胺的三种导电模型。通过化学氧化聚合合成的方法，从苯胺单体出发来制作了掺杂态的导电聚苯胺，而且整个制作过程简单，得到的聚苯胺溶液分散性较好。
　　通过复合组装的方法，以掺杂态的聚苯胺和分子量大且同时带有大量的电荷基团的聚苯乙烯磺酸作为聚电解质材料，在叉指电极上复合组装了具有不同层数的聚苯胺和聚苯乙烯磺酸复合薄膜。通过电子显微镜观察发现通过复合组装得到的敏感膜和滴涂的纯聚苯胺比起来，具有较好的覆盖性和均匀度，并分析了具有不同层数的复合薄膜的传感器对氨气的响应和恢复特性。实验结果表明，在30 ppm到300 ppm的氨气浓度范围内，传感器对氨气都有着比较好的响应和恢复特性，传感器对氨气的响应还表现出了较好的重复性和线性特性，同时传感器对氨气也有着较好的选择性。
　　以制作的氨气传感器和FPGA为核心，搭建了一个能实时检测周围环境中氨气浓度的传感器系统。文章中以方波发生电路为基础，把传感器对氨气浓度变化时表现出来的电阻变化特性转换成了方波频率的变化。再通过信号整形电路对信号进行处理整形，最后送入FPGA中进行处理。还对整个传感器系统的外围硬件电路做了分析和设计，同时详细介绍了基于NiosⅡ的传感器系统的软件部分的搭建，对其执行过程做了一定的分析。
　　通过文章中介绍的实验装置得到了传感器系统测得的频率值和氨气浓度的关系，利用Matlab拟合了它们之间的关系函数和曲线，并在NiosⅡ软件系统中实现了对周围环境中氨气浓度值的计算。最后，通过对整个传感器系统的实验，分析了传感器的测量值和实际值之间的误差和造成误差的原因，提出了需要改进和完善的地方。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 氨气传感器的发展现状和前景

1．3 聚苯胺氨气传感器的概述

1．4 论文研究的主要目的和工作重点

1．5 论文的结构安排

第2章 聚苯胺的气敏机理和合成方法

2．1 聚苯胺的气敏机理

2．1．1 聚苯胺的导电机理简介

2．1．2 聚苯胺对氨气响应的气敏机理

2．2 聚苯胺的合成方法

2．2．1 电化学氧化聚合合成法

2．2．2 化学氧化聚合合成法

2．2．3 实验材料

2．2．4 实验步骤

2．3 本章小结

第3章 聚苯胺和聚苯乙烯磺酸复合组装氨敏敏感膜的制备及其敏感特性的研究

3．1 复合组装制备气体敏感膜的概述

3．1．1 制备敏感膜的几种常用方法

3．1．2 复合组装制备敏感膜的原理

3．2 聚苯胺和聚苯乙烯磺酸复合组装氨敏敏感膜的制备

3．2．1 传感器电极的设计

3．2．2 实验材料

3．2．3 实验步骤

3．3 实验结果

3．3．1 聚苯胺和聚苯乙烯磺酸复合组装薄膜的光学显微镜观察结果

3．3．2 聚苯胺和聚苯乙烯磺酸复合组装薄膜的扫描电镜表征结果

3．3．3 实验测试仪器和装置

3．3．4 传感器对不同浓度氨气的反应曲线分析

3．3．5 传感器对氨气的灵敏度曲线分析

3．3．6 传感器对氨气的响应恢复特性曲线分析

3．3．7 传感器的选择性分析

3．3．8 传感器的温度特性分析

3．3．9 传感器的稳定性分析

3．4 本章小结

第4章 聚苯胺和聚苯乙烯磺酸复合组装薄膜传感器系统的设计

4．1 传感器整体系统的构成

4．2 外围硬件电路介绍

4．2．1 信号采集模块

4．2．2 信号整形模块

4．2．3 显示模块

4．2．4 温度模块

4．2．5 存储模块

4．2．6 测频模块

4．3 信号处理模块

4．3．1 液晶显示模块设计

4．3．2 温度模块设计

4．3．3 存储模块设计

4．3．4 SOPC整体顶层模块设计

4．4 本章小结

第5章 传感器系统测试与结论分析

5．1 传感器系统整体电路的搭建

5．1．1 传感器探头

5．1．2 传感器系统电路实物

5．2 系统测试和结果分析

5．2．1 频率和氨气浓度曲线拟合

5．2．2 传感器系统的实验结果分析

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文