用于监测呼吸特征参数的压电石英传感系统研制

作     者：邓如悦 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：司士辉

授予年度：2023年

学科分类：1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：石英晶体微天平 相位响应 频移法 呼吸监测 气体传感器 

摘      要：在气相色谱-质谱检测、光谱分析检测、气体传感器等诸多检测技术中,石英晶体微天平(QCM)传感技术以其结构简单、灵敏度高、可实时传感信号等优势,被广泛应用于气体检测、医疗诊断及食品安全等多个领域。为了提高QCM传感器的质量灵敏度和信号稳定性,本文研制了两种不同信号响应机制的压电石英微天平气体传感系统,成功用于呼吸频率及呼出气体成分的监测,对睡眠呼吸疾病的防治,以及糖尿病、肝肾衰竭等疾病的个人健康监测具有重要应用价值。具体研究内容如下:(1)基于QCM倍频相移信号的呼吸频率监测系统的研制。通过采用直接数字频率合成器(DDS)合成频率源,以无修饰的金属电极(银电极)压电石英体作为呼吸气流湿度传感元件,在5倍频下激励压电石英体,连续测定呼吸气流下的压电石英体相移信号变化。该呼吸监测系统的数据点采样时间为50 ms,能够满足对人体呼吸进行实时监测的要求。此外,基于信号响应曲线可计算出呼吸频率及强弱程度等生理信息,为人体呼吸特征提供更全面的监测结果。(2)基于频移法的压电石英晶体气体传感系统的研制。通过直接数字频率合成器产生频率、振幅及相位可调的正弦信号源,使差频值保持在最优范围内,输出相应的频率信号。对传感系统进行一系列性能测试,验证该系统在气相中和液相中的稳定性,并进行质量响应,粘度响应等不同体系的测试,其响应曲线符合Sauerbrey方程和Kanazawa方程的数学关系,证明该系统具有良好的传感能力。采用2,4-二硝基苯肼修饰石英晶体表面用于检测丙酮气体,对该传感系统的重复性响应、浓度梯度响应及选择性进行系统研究。实验结果表明该传感系统具有良好的响应特征,检出限为9.1 ppm,气体浓度范围为20～100 ppm时,线性相关系数R为0.9864。(3)压电石英晶体气体传感系统的氨气检测。通过对比聚丙烯酸、硫酸铜及聚苯胺三种修饰材料的响应度,选择响应特性最佳的聚丙烯酸(PAA)作为后续实验的主要修饰材料。通过比较单层膜与复合膜的气敏响应特征,证明在PAA中加入Ti O能够提高传感器的响应性能;通过探究PAA/Ti O复合薄膜不同的修饰方式及浓度配比,确定最佳的复合薄膜制备参数。最后,对基于复合薄膜修饰的QCM传感器进行气敏性能实验,主要包括选择性测试、重复性测试和稳定性测试。实验结果表明此传感系统对氨气具有较好的响应效果和检测能力,检出限为8.9 ppm,氨气浓度的检测范围为20～100 ppm时,线性相关系数R为0.9875,有望用于呼吸气中的氨气检测。图44幅,表8个,参考文献121篇