纳米材料敏感-增强qcm气敏和生物传感器概述

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1、纳米材料敏感/增强QCM气敏和生物传感器概述第1章绪论1.1研究背景随着新技术革命的到来，人类社会己经迈入信息化时代，随着人类探索领域的不断扩展，人们需要获取的信息种类日益增加，首先就是要获取准确可靠的信息，而传感器就是获取是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器作为人类探索自然的触角，将需要探知的非电量信息转换为可以测量的电信号或者其他所需形式的信息，为人类认知和控制所需对象提供条件和依据。从外太空探索到陆地海洋开发，从环境保护到灾情监测，从生命科学探索到医学监测，从工农业生产到人民日常生活等等，都离不幵传感器。传感器和传感器技术

2、己经深入到信息社会的所有领域，涉及国民经济生产的每个部门，大众生活的各个方面。因此，关于传感器的定义至今尚无比较全面的定论，我国的国家标准GB7665-87对传感器（Traiisducer/Sensor)是这样定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器涵盖各个方面，分类甚繁，归纳起来主要为这几类：按工作机理分主要有结构性、物性型和复合型三大类；按敏感材料分有半导体、光导纤维、有机材料传感器等；按功能分类可分为热敏、光敏、气敏、生物敏传感器等；按被测量的不同又分为物理、化学、生物传感

3、器等等。石英晶体微天平（QuartzCrystalMicrobalance，QCM)是一'种在20世纪60年代建立起来的新型的传感器测量技术。QCM传感器基于压电效应，以石英晶体为换能器，利用石英晶振的谐振频率变化与与晶体表面的质量变化成正比这一原理，进行纳克级的质量检测，是一种非常灵敏的质量检测仪器。具有结构简单，成本低廉，灵敏度高，高度数字化，易于实时在线检测等优点，成为传感器研究中最活跃的分支之一，受到许多科技工的关注。自上世纪60年代首次实现气相中环境气体的检测，到80年代实现液相环境中生化反应的研宄，QCM己经广泛应用于材料

4、表征、生物过程监测、环境检测、医学诊断、食品检验等学科领域。..1.2气敏传感技术大气是人类赖以生存的基础，任何生物都依赖于呼吸维持生命。随着人类社会活动的发展，排放的废气也与日俱增，对人类的生存环境和人类本生都造成了不可忽视的损害。气候变暖，臭氧层变薄，酸雨，光化学烟雾以及近些年来令人谈之色变的雾霾天，都是大气污染问题日益严重的佐证，其危害不言而喻，为人类敲响了警钟[1-2]。除了上述大气污染，室内的空气质量问题也日益突出，易挥发性有机物(VolatileOrganicpound,VOC)在室内空气中普遍存在，新的建筑材料、涂料、胶點剂、地

5、板、化工日用消费品等都造成了室内空气的污染[3]。室内VOC往往多达几十种，多种人造地板、墙纸都含有甲酸；笨、甲苯、二甲苯主要作为各种涂料的溶剂或稀释剂使用；邻苯二甲酸酷类化合物往往作为增塑剂存在于塑料，化妆品中；各种焼烃、芳香烃、炼烃等往往存在于地後和家具中，所有的这些有机污染物均会对人体造成极大的损伤，轻则眼睛不适、喉晚疼痛、流涕，重则弦晕、恶心、呕吐，而这些症状在离开室内后，即减轻或消失，这种综合征也被成为病态建筑物综合症（SickBuildingSyndrome，SBS)[4]。解决上述大气环境污染的关键是快速准确的对环境中有毒有害气

6、体的实施有效地监测，并以此为依据进行污染的防治和效果的评价。因此，气敏传感器就有了重要的研究价值。第2章QCM的原理及应用2.1石英晶体的压电效应1880年，居里兄弟Pierre.Curie和Jacques.Curig首先发现某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，这个现象被称为压电效应(piezoelectriceffect)。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变

7、形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这就是逆压电效应(conversepiezoelectriceffect)。1881年，居里兄弟通过实验证实了逆压电效应，并获得了压电材料的正逆压电系数。具有压电效应的介电材料被称之为压电材料，图2.1为压电晶体压电效应示意图。无外力作用时，电场作用总和为零（图I.la)。当在电轴X方向上施加压力F,会使晶体在该方向上产生变形，在晶体的A、B平面上形成等量的正、负异号电荷。当晶体被拉伸张时，则形成相反极性的电荷（图Lib)。若在机械轴y方向上施加压力F，在A，B平面上也形成异号电荷（图1.1c)。但在光轴

8、Z方向施力时，娃离子和氧离子对称平移，无电荷形成。同样，在电场的作用下，由于晶体正、负离子发生相对位移，导致晶体产生内应力，使得晶体产生了形变。2.2石英晶体微天平