二十一世紀(jì)，全球各國(guó)都將可持續(xù)發(fā)展作為所面臨的首要問題而給予了高度關(guān)注，環(huán)境污染是其中最主要的困難之一。各國(guó)對(duì)各種有毒有害氣體的探測(cè)，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對(duì)人居環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都提出了更高的要求。氣體傳感器及其陣列作為氣體檢測(cè)的核心元件，在有毒有害氣體的探測(cè)中起著重要的作用。本文以低成本易加工且可室溫工作的質(zhì)量敏感型器件為基礎(chǔ)，從傳感器的工作原理開始著手到最后制備傳感器陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒有害氣體的定性定量識(shí)別，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高靈敏度的質(zhì)量敏感型氣體微傳感器陣列打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文結(jié)合新型氣體敏感材料聚炔材料聚-2，5-二甲氧基乙炔苯PDMEB和聚-（2三乙烷化磷-鉑-二乙炔苯）Pt-DEB以及超分子材料Cryptopahne-A，并在聚合物的基礎(chǔ)上添加無機(jī)納米材料制備新型有機(jī)無機(jī)納米復(fù)合敏感材料，研究這些敏感材料的合成和在質(zhì)量敏感型器件上薄膜的制備，制作傳感器單元并進(jìn)行氣敏特性測(cè)試。最終優(yōu)化傳感器單元，建立室溫下工作且靈敏度較高的氣體傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)有毒有害氣體的定性識(shí)別和定量分析?？偨Y(jié)全文，主要結(jié)論如下。

1．通過對(duì)質(zhì)量敏感型氣體傳感器的模擬仿真，發(fā)現(xiàn)隨著敏感薄膜厚度的增加，膜厚引起的頻率變化越大，且膜厚引起的頻率變化與膜厚成正比，符合Sauerbrey公式。因此對(duì)于確定敏感膜的聲表面波氣體傳感器，當(dāng)只考慮質(zhì)量效應(yīng)時(shí)，敏感膜的厚度可以間接的由鍍膜前后引起的頻率變化來表示。隨著敏感薄膜厚度的增加，靈敏度逐漸增加，但增加的幅度逐漸減小，所以太厚的敏感薄膜對(duì)傳感器靈敏度的提高并沒有太大的作用，此外膜厚的時(shí)候氣體分子與敏感膜發(fā)生吸附由于涉及膜內(nèi)部的分子擴(kuò)散，在吸附和解吸附時(shí)都需要較長(zhǎng)的時(shí)間，過厚的薄膜還容易導(dǎo)致諧振器停振，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到各方面因素的影響，根據(jù)需要來選擇恰當(dāng)?shù)哪ず瘛?/p>

2．合成了新型敏感材料含苯基的聚炔材料聚-2，5-二甲氧基乙炔苯（PDMEB）和含稀有金屬的聚炔材料聚-（2三乙烷化磷-鉑-二乙炔苯）（Pt-DEB），并采用旋涂的方法成膜在質(zhì)量敏感器件QCM和SAW器件上，以制備成氣體傳感器單元，并詳細(xì)測(cè)試了它們對(duì)于可燃性氣體甲烷和有毒氣體VOC（四氫呋喃、氯仿、醇等）的氣敏特性以及環(huán)境中溫濕度的影響，并結(jié)合紅外光譜、形貌表征以及溶劑化能方程分析其敏感機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同等成膜條件下，Pt-DEB薄膜的成膜性能比PDMEB的好，鍍PDMEB膜的差損明顯比Pt-DEB膜的大?；赑DMEB的傳感器單元在室溫下對(duì)甲烷有較好的氣敏特性，靈敏度為9.5 Hz/1000ppm，突破了室溫下檢測(cè)甲烷的難點(diǎn)。表面形貌分析發(fā)現(xiàn)PDMEB的表面存在有孔洞，為甲烷氣體分子提供了較多的吸附位及較好的吸附/脫附條件，紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)PDMEB還和甲烷存在一定的結(jié)合，從而使其對(duì)甲烷有氣敏特性。而基于Pt-DEB的傳感器單元?jiǎng)t對(duì)有毒氣體VOC顯現(xiàn)出很好的氣敏特性，基頻穩(wěn)定性好，重復(fù)性好，氣敏響應(yīng)線性化，且Pt-DEB對(duì)VOC的探測(cè)極限可達(dá)1 ppm。結(jié)合Pt-DEB的表面形貌分析其敏感機(jī)理主要源自于對(duì)可溶性蒸汽的溶脹現(xiàn)象。

3．為了進(jìn)一步改善氣敏特性，在聚合物的基礎(chǔ)上結(jié)合無機(jī)納米材料碳納米管（CNT）、SnO2和In2O3納米粒子，制備有機(jī)無機(jī)復(fù)合敏感材料。優(yōu)化成膜工藝，SnO2和In2O3納米粒子采用PDMEB原位聚合制備PDMEB/SnO2和PDMEB/In2O3有機(jī)無機(jī)納米復(fù)合敏感材料，然后旋涂在質(zhì)量敏感型器件上制備氣體傳感器，而對(duì)分散性不好的CNT采用層層自組裝的方法直接在質(zhì)量敏感型器件上成膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SnO2和In2O3納米粒子的加入不僅改變了聚合物的形貌，改善了成膜特性，還增強(qiáng)了聚合物PDMEB對(duì)甲烷的靈敏度。

基于PDMEB/SnO2的傳感器單元和基于PDMEB/In2O3的傳感器單元室溫下以氮?dú)鉃檩d氣時(shí)對(duì)甲烷的靈敏度分別為32 Hz/1000ppm和24 Hz/1000ppm，此外發(fā)現(xiàn)用空氣作為載氣時(shí)，對(duì)甲烷的靈敏度分別高達(dá)67.8 Hz/1000ppm和53 Hz/1000ppm。用Langmuir單分子層吸附理論分析氣體在傳感器敏感膜上吸附和脫附動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn)加入SnO2和In2O3無機(jī)納米粒子的氣體傳感器對(duì)1000 ppm甲烷的吸附速率常數(shù)相等，均為0.0145，大于純聚合物PDMEB對(duì)1000 ppm甲烷的吸附速率常數(shù)（0.0138）。它們兩個(gè)的脫附常數(shù)也都高于純PDMEB。

對(duì)于VOC的氣敏特性，PDMEB/SnO2對(duì)醇類有較好的氣敏特性，而PDMEB/In2O3則對(duì)四氫呋喃有較好的氣敏特性，但對(duì)氯仿和丙酮都沒有氣敏特性，自組裝成膜的碳納米管則對(duì)氨蒸汽呈現(xiàn)很好的氣敏特性，可見無機(jī)材料的加入還改變了聚合物的氣敏選擇性。

4．用廉價(jià)的香草醛為原料，采用改進(jìn)的二次三聚合的方法合成超分子材料穴番-A，將其涂覆在質(zhì)量敏感型器件QCM和SAW上制備成質(zhì)量敏感型氣體傳感器單元，測(cè)試其對(duì)甲烷的氣敏特性。由于穴番-A作為主體分子和與之匹配的客體分子甲烷形成類似于“鎖與鑰匙”系統(tǒng)，不僅靈敏度高，而且選擇性好。

分子力學(xué)模擬顯示甲烷分子進(jìn)入cryptophane-A的空腔，碳原子位于空腔的中心位置，與CTV芳香環(huán)的平均距離是4.5?，也就是說比范德華半徑之和大20%，這個(gè)距離與在范德華引力范圍內(nèi)最大的吸引力接近一致，所以二者能形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。

5．搭建有毒有害氣體傳感器陣列，結(jié)合模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒有害氣體甲乙丙醇以及甲烷和氫氣的定性識(shí)別和定量分析。SAW氣體傳感器陣列在之前制備的聚炔敏感材料Pt-DEB，PDMEB以及有機(jī)無機(jī)納米復(fù)合材料PDMEB/SnO2基礎(chǔ)上采用差動(dòng)原理建立，用以消除溫濕度等外界環(huán)境的影響。

采取動(dòng)態(tài)信息與靜態(tài)信息相結(jié)合的參數(shù)選取方法，提取特定氣體濃度下傳感器在響應(yīng)時(shí)間為t63.2時(shí)的響應(yīng)值和t90時(shí)的響應(yīng)值來表征傳感器的響應(yīng)速度，從傳感器響應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線中提取最大值（max）來反應(yīng)傳感器的靈敏度。完全準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了對(duì)一定濃度范圍內(nèi)對(duì)有毒有害氣體甲乙丙醇以及甲烷和氫氣的定性識(shí)別，對(duì)甲乙丙醇的定量識(shí)別，平均誤差為21.99%；而對(duì)甲烷和氫氣的定量識(shí)別，平均誤差為0.079%。