基于波导电路的氨气微波传感器材料设计及性能研究

作     者：徐菊花 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金泉;胡迪

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：分级多孔结构 中空多壳层结构 微波气体传感器 氨气 气体扩散 

摘      要：氨气（NH3）是一种无色、具有高度腐蚀性和刺激性气味的有毒气体,其传感器在与氨气相关的工业泄露、环境污染监测和医疗诊断中有广泛需求。其中,微波NH3传感器由于具有室温工作、低功耗和非接触式检测等优势,吸引了众多研究者的关注。然而,目前研究的微波NH3传感器大多基于平面谐振电路,存在分辨率和灵敏度较低的问题。选用矩形波导谐振腔作为微波气体传感器的电路结构,电磁场集中在谐振窗位置,具有高Q因子和高分辨率,有助于构建高灵敏度的微波气体传感器。但是,对于立体电路结构,敏感材料的涂装是关系到器件性能的关键问题。 近年来,分级纳米结构凭借其丰富的气体吸附位点和优异的气体扩散能力在气体传感领域展现出巨大的潜力。在众多分级纳米结构中,具有分级多孔结构的整体材料与波导谐振腔具有良好的适配度,避免了常规粉体材料需要涂装的问题。整体材料可以精确放置在波导腔的强电磁场区域,分级多孔结构有效增强气体扩散;此外,敏感材料的微观结构对传感性能提高有积极作用,中空纳米微球因其高比表面积、可调控的形貌和丰富的内部空腔,广泛应用于气体传感领域。本论文以开发高性能NH3传感器为目标,基于分级纳米结构和波导谐振腔,从敏感材料结构设计出发,研究了敏感材料的微观结构与传感性能的关系,分别讨论了基于分级多孔结构和中空多壳层结构敏感材料的微波传感器增感机理。具体研究内容如下: （1）通过溶胶凝胶法结合水热法制备了具有分级多孔结构的In2O3/Al2O3整体材料;采用聚合物辅助溶胶凝胶冷冻干燥技术并调控聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone,PVP）组分合成具有不同孔径的分级多孔In2O3整体材料,结合矩形波导谐振器组装了微波传感器。系统研究了In2O3/Al2O3和In2O3整体材料对NH3的传感性能。基于In2O3/Al2O3整体材料的NH3传感器在室温下具有低检测限（10 ppb）、出色的选择性和可重构性,NH3浓度低于50 ppb时灵敏度高达106.1 d B/ppm,表明分级多孔结构可以有效增强气体扩散,提高传感性能;使用3.0 g PVP制备的分级多孔In2O3传感器对NH3展现出宽检测范围（0.01～2000ppm）、低检测限（7 ppb）和卓越的选择性,在0.01～100 ppm浓度范围内灵敏度为0.0477 d B/ppm,这可能是由于合适孔径对气体的限制作用。 （2）采用次序模板法结合水热法制备了HoMS-Ba Ti O3敏感材料,以石英纤维滤膜和矩形波导谐振器分别作为基底和传导结构,组装了微波NH3传感器。研究了Ba Ti O3的壳层数和敏感材料质量对气敏性能的影响。结果表明,单壳层Ba Ti O3空心球和双壳层Ba Ti O3空心球分别在低浓度（10 ppb～0.15 v/v%）和高浓度（0.15～0.55 v/v%）表现出最佳响应,敏感材料的质量越低,响应越高。与Ba Ti O3纳米颗粒相比,HoMS-Ba Ti O3在较宽浓度范围内（10 ppb～0.55 v/v%）对NH3具有高响应,这可能归功于较大比表面积提供更多的活性位点、内部空腔的限域富集作用以及少量HoMS-Ba Ti O3敏感材料有利于气体扩散。