水质多参数集成微传感器及系统研究

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实施从水源地到水龙头的全过程水质监管,是防治水污染的重要举措。现有的水质检测仪器多为大型设备,测量参数单一、结构复杂、体积庞大、功耗高、价格昂贵,难以实现大范围的现场、在线监测。因此研究多参数集成、结构简单、小型化、低功耗、低成本的水质检测传感器及系统具有迫切的应用需求。  本论文面向水质的现场和在线监测,针对三个反映水质的重要指标:pH、电导率和温度,研究微型化、低成本、低功耗、灵敏度高、稳定性好的多参数集成水质检测微传感器,研制可用于水质现场快速检测的便携式仪表系统。  采用微机电系统(MEMS)技术制备了集成pH敏感电极、固态参比电极、电导率传感器和温度传感器的多参数集成微传感芯片。选择氧化铱(IrOx)作为pH敏感材料,利用电化学沉积技术在pH敏感电极表面制备出水合态IrOx薄膜,其表现出超能斯特响应。设计并制备的电导率传感器为平面同心圆环式四电极结构,消除了电导率测量中双电层及临近效应带来的误差。制备的三线式铂薄膜温度传感器,有望用于pH和电导率检测过程中的温度补偿。测试结果表明,制备的pH传感器具高灵敏度(67.60mV/pH)及快速响应(响应时间小于6s),检测范围为pH2.22~pH11.81;片上微型固态参比电极具有良好的电势稳定性,在去离子中漂移速率为0.3mV/h,稳定时间大于56小时;电导率传感器的电极常数为1.56cm-1,检测线性范围从21.43μS/cm到1.98mS/cm,满足饮用水、地表水的测量范围要求;温度传感器表现出良好的敏感特性(灵敏度5.46Ω/℃)。  在研究多参数集成水质检测微传感器的基础上,研究了微传感器信号的检测、处理以及显示等技术,研制了便携式的水质多参数检测系统。设计并实现了具有多参数信号采集、多量程切换等功能的便携式检测系统,结合电容式触摸显示屏、STemWin图形库实现了操作简单,并具有标定和测试等功能的人机交互系统。  通过综合测试,本论文研制的水质多参数集成微传感器与系统可用于水中pH、温度、电导率的现场、快速测量,基本满足饮用水、地表水等水质检测范围要求。该研究为实现水质检测设备的集成化、低成本和小型化提供了可行的方案。
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