微悬臂梁传感器在气体检测方面的应用

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　　摘要：本文对微悬臂梁传感器在三类气体检测领域中的研究现状进行梳理，对微悬臂梁检测的工作原理和工作模式进行了叙述，并对该类传感检测技术的前景做了展望，为微机电系统中传感技术的应用研究提供参考。
　　关键词：气体检测;工作模式;微悬臂梁
　　
　　空气质量问题是社会问题中急需解决的一大难题，解决这一难题的一个关键点是对空气中气体分子的准确分析。传统的检测技术和检测仪器不能满足实际检测的需要，而微悬臂梁传感技术用于气体检测是一个新思路。微悬臂梁传感器具有高精度、高灵敏等优点，可使用于真空、液体、气体环境中，广泛应用于生物、化学多领域。本文综述了微悬臂梁传感器在气体检测方面的应用，包括一般性气体，爆炸性气体和有毒有害气体，并分析了使用局限性，为今后的气体传感器的深入研究提供了新方法。
　　1 工作原理
　　微悬臂梁传感器[1]是一种可以获取有用信息并将其转换成可用信号的高精度微型传感装置。通过将梁表面接收到的信息转化成梁的应力形变，或者促使悬臂梁共振频率偏移，将这一变化通过光学或电学的读出方法转为可视信号，利用计算机进行分析处理。
　　2 工作模式
　　微悬臂梁[2]应用于气体检测主要有两种工作模式：静态模式和动态模式。
　　2.1 静态工作模式
　　静态模式是通过改变梁表面应力实现，具体方法为：将一种可以与待测物质分子发生特异性结合的分子预先修饰在悬臂梁表面的一侧，当梁处于包含待测物质分子的环境中时，两种分子发生结合反应，导致了梁表面应力发生改变，使悬臂梁产生弯曲变化。
　　2.2 动态工作模式
　　动态模式是通过测量梁表面质量微小变化实现。质量变化影响梁的共振频率，梁表面的质量增加，促使其共振频率减小，通过测量频率的变化值即可获知吸附物的质量大小。
　　3 传感器在气体检测方面的应用
　　3.1 一般性气体检测
　　微悬臂梁传感器对气体进行定量检测是一个热点研究方向。2011年，Jin[3]等人在悬臂梁自由端涂上活性炭后，研究了悬臂共振频率和二氧化碳压力的关系。2014年，Kim[4]等人研制了一种高灵敏度悬臂型化学机械氢传感器，可检测浓度高达4%氮气中稀释的氢。2018年，Lv[5]等人用重力型传感材料，采用共振微悬臂梁传感器实现了对10ppbco的灵敏检测。
　　3.2 爆炸性气体检测
　　爆炸性气体会对人类的生命财产安全带来巨大隐患，如何有效地对其定量检测是迫切需要解决的题。2004年，Pinnaduwage等人对DNT、TNT等爆炸性气体进行了检测。2010年，Xu等人用于研制了用于检测三硝基甲苯（TNT）蒸气的多壁碳纳米管改性共振微悬臂梁化学传感器。实验显示快速检测ppb水平的TNT蒸气的能力，以及功能化基团对TNT分子的高度特异性。2011年，Zhu[6]等人将一种比色受体四硫富勒烯官能化吡咯与一种聚酰亚胺微反杠杆结合在一起，可检测10ppb三硝基苯蒸气。
　　3.3 有毒气体检测
　　有毒气体在空气中凝结会对人的皮肤产生刺激作用，导致过敏等症状，严重会导致病变。2006年，Porter[7]等人用嵌入式压阻式微悬臂梁传感器来检测氰化氢气体。2015年，Ju[8]等人利用组合肽库和一个石墨表面或苯基端接自组装单层作为相关的靶表面，实现了定量检测苯、甲苯和二甲苯亚ppm水平检测。2016年，Wang等人研究了一种基于纳米敏感材料和MEMS技术的新型煤油气体传感器，具有较高的灵敏度和线性度。
　　4 展望
　　未来可将微悬臂梁传感技术与纳米技术和软物质技术相结合，致力于发展多选择性、高稳定性和耐用性的柔性传感器。
　　参考文献：
　　[1]周夏荣，吴尚犬，伍小平，等.微悬臂梁阵列传感系统的性能分析[J].中国科技论文，2014，9（08）：861865.
　　[2]邬林，夏登明，钱江蓉，等.基于激光阵列的多通道微梁生化传感系统[J].实验力学，2017，32（04）：568572.
　　[3]Yusung J，Dongkyu L，Sangkyu L，et al.Gravimetric analysis of CO2 adsorption on activated carbon at various pressures and temperatures using piezoelectric microcantilevers[J].2011.83（18）：7194.
　　[4]Kim M O，Lee K，Na H，et al.Highly sensitive cantilever type chemomechanical hydrogen sensor based on contact resistance of selfadjusted carbon nanotube arrays[J].Sensors and Actuators BChemical，2014.197：414421.
　　[5]Lv Y Q，Xu P C，Yu H T，et al.NiMOF74 as sensing material for resonantgravimetric detection of ppblevel CO[J].Sensors and Actuators BChemical，2018.262：562569.
　　[6]Zhu W，Park J S，Sessler J L，et al.A colorimetric receptor combined with a microcantilever sensor for explosive vapor detection[J].2011.98（12）：1453.
　　[7]Porter T L，Vail T，Eastman M，et al.Embedded Piezoresistive Microcantilever Sensors：Materials for Sensing Hydrogen Cyanide Gas[J].2006.915：0915R09040909.
　　[8]Soomi J，KiYoung L，SunJoon M，et al.Singlecarbon discrimination by selected peptides for individual detection of volatile organic compounds[J].2015.5：9196.
　　基金項目：国家级大学生创新创业训练计划项目（201910361065）
　　作者简介：张钊（1998），男，安徽宿州人，本科，主要研究方向为传感器开发与应用。
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