【摘 要】
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气体传感器一直是传感器领域的重要研究方向,实现对有机气体组分的实时监控、有效识别和区分,对环境监测、安防、健康、医疗等各个领域具有非常重要的意义。然而,气体传感器技术仍面临着诸多挑战:例如,如何构建尺寸小、灵敏度高、响应快、以及成本低的气体检测系统等。薄膜体声波谐振器（FBAR）具着灵敏度高、尺寸小、响应快、成本低、易于实现阵列化以及可输出多种传感参数等特点,这些优点使得FBAR得到了广泛的关注。
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气体传感器一直是传感器领域的重要研究方向,实现对有机气体组分的实时监控、有效识别和区分,对环境监测、安防、健康、医疗等各个领域具有非常重要的意义。然而,气体传感器技术仍面临着诸多挑战:例如,如何构建尺寸小、灵敏度高、响应快、以及成本低的气体检测系统等。薄膜体声波谐振器（FBAR）具着灵敏度高、尺寸小、响应快、成本低、易于实现阵列化以及可输出多种传感参数等特点,这些优点使得FBAR得到了广泛的关注。本文基于这一研究热点,开发了一种基于单片集成的温度补偿型的FBAR（TC-FBAR）的多参数虚拟传感器阵列（VSA）的电子鼻系统,通过自组装修饰以及PCA和LDA算法分析,实现了对甲醇、乙醇等六种挥发性有机气体实时检测、识别和区分。主要研究内容和成果如下:1.通过标准的MEMS工艺加工出TC-FBAR器件,并基于质量负载效应,分析了该器件的工作原理及传感特性。采用20层自组装PSS/PDDA薄膜修饰TC-FBAR作为敏感层,并对修饰前后的器件的性能进行对比分析。2.采用SiO2材料作为温补层,成功加工出温度频率系数TCF为2.8798ppm/°C的TC-FBAR,比传统FBAR的TCF降低了10倍,显著降低了温度对传感器件频移基线漂移的影响。同时,将TC-FBAR与加热器集成以组成虚拟传感器阵列的核心部分。采用脉冲式温度循环作用创新性地消除了频移基线的漂移,保证了TC-FBAR的虚拟传感器阵列工作过程中的温度稳定。3.通过实时静态检测和脉冲式温度循环作用（TCO）的动态检测,可以得到基于温度调制的TC-FBAR的VSA在四种不同温度下对六种VOCs气体的频移和阻抗响应结果。通过PCA和LDA算法分析,实现了对六种VOCs的高效识别和区分,且对每种VOC气体的正确判别率均超过97%。通过对等温吸附曲线的拟合获得两个独立于浓度的常数,揭示了温度调制影响传感器表面对不同的VOC的吸附和解吸附的原因。同时,研究了TC-FBAR的VSA的检测极限、灵敏度和重复性,实验表明该VSA具有低检测极限,灵敏度高,重复性和稳定性好等优点。
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