《基於單壁碳納米管離子通道的MEMS聚電解質濕度感測器》是依託上海交通大學，由王孜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於單壁碳納米管離子通道的MEMS聚電解質濕度感測器
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王孜
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
濕度是最常測量的物理量之一，但精確測量卻極其困難，目前技術難以滿足大氣監測與聚變工程等大型基礎科研項目對濕度測量的全部要求。本項目提出基於單壁碳納米管離子通道的聚電解質濕度感測器，利用單壁碳納米管離子通道中的可控離子傳輸過程，實現基於濕度的以自建電勢為輸出信號的濕度感測原理，對面向高選擇性、高靈敏度、高穩定性套用要求的濕度感測器提供了新的解決方案。提出研究碳納米管作為離子通道在固態聚電解質之間的離子傳輸過程的科學問題，對分子/離子在受限空間內的一維運動這一基本物理問題的研究具有重要意義。提出以分子結構精確可控的活性自由基聚合合成的聚電解質為模型，開展基於電解質型吸濕材料的濕度感測器的理論研究工作，有望解決目前使用的寬分子量分布聚電解質導致的建模困難問題。提出在固體聚電解質薄膜微圖形之間構建碳納米管離子通道的研究，不但有望形成一種新型MEMS濕度感測器，且豐富了MEMS感測器的研究領域。
結題摘要
濕度作為最常測量的物理量之一，其測量卻極其複雜，目前的技術難以滿足大型基礎科研項目對濕度測量的全部要求。本項目利用單壁碳納米管離子通道中的可控離子傳輸過程，對以自建電勢為輸出信號的新原理濕度感測器進行了探索性研究。通過對聚電解質/SWCNT濕度感測器中絕對濕度與離子電流電勢的回響關係以及機理的研究、聚電解質分子結構和SWCNT的幾何參數對感測器信號輸出的影響規律、感測器性能的多目標最佳化方法的研究，以及MEMS工藝兼容的濕度感測器加工工藝與測試方法研究，初步完成了研究目標。 項目組在一維納結構陣列的特徵參數提取和模型重構方法的研究上取得了重要突破：一方面可以通過基於邊緣提取和分水嶺算法分割/融合技術以及ROI區域矩量計算的圖像處理技術，從SEM圖像中提取一維納結構的長度、直徑和取向等結構參數的統計平均值；另一方面通過自行編寫的基於JAVA代碼的App克服了目前大多數軟體中普遍存在的隨機結構矩陣建模的困難問題，成功構建了更加接近真實場景的包含任意數量一維納結構單元的隨機陣列模型，用於研究長度、直徑、間距和取向等參數的隨機性對材料和器件性能的影響。目前該結構參數提取和模型重構方法作為重要研究內容已經獲得國家973計畫專題的資助。 此外，還合成了一種具有支化結構的聚電解質，不僅具備較強的吸水能力，還通過氫鍵作用同時具備了和矽基底與金屬電極的結合力。最後，為了解決新器件的標定問題，特別設計了一種可精確檢測質量的積分式電離式感測器，由於特殊的氣體流道結構和矽納米線陣列的共同作用，該感測器對少量水分子的相應速度極快，能夠將通過流道的水分子總質量轉換為電流信號的積分。對試製的濕度感測器樣機在1.5~21 g/m3的絕對濕度範圍內進行了標定，總體來說器件在測試範圍內能獲得較好的線性輸出（輸出電壓為200-800 mV），但在較高濕度下逐漸偏離線性特性，並且在中低濕度區間的波動較大。
