一种手持式化学电阻检测器及其应用的制作方法

1.本发明创造属于分析科学仪器领域，尤其涉及一种手持式化学电阻检测器及其在vocs气体检测中的应用。


背景技术：

2.目前，纳米结构传感膜虽然已经在化学电阻传感器领域得到了广泛的应用，但在环境检测和医疗保健应用方面还面临一个重要的挑战是如何提高将纳米结构传感元件集成到便携式电子中的能力，从而实现更便捷的即时检测或即时医疗。然而，大多数现有方法都侧重于cmos工艺，即采用互补金属氧化物半导体技术(cmos)来检测电阻的变化从而提高电阻数字电路的分辨率。在相关的微电子电路板设计方面，通过纳米结构化学电阻阵列耦合来实现持久可靠的性能方面的研究工作还非常少；这是因为将纳米结构化学电阻传感器与阵列器件集成进行耦合不仅需要满足高灵敏度和快速响应，还需要低能耗和高耐用性。在交趾微电极平台上进行纳米颗粒分子连接薄膜组件集成的传感器因其在尺寸、组成、官能团和空间特性等方面所具有的特性从而能有效地提高检测的灵敏度、选择性、检测限和响应时间，这让此类传感器在医疗保健和环境监测中的潜在应用成为一种可能。
3.然而，为了能让纳米结构化学电阻传感器阵列能实现在即时检测或即时医疗中的应用，对于器件设计除了在便携性、多通道能力、测量范围和自动锁定等性能方面有特定的要求外，传感接口的高稳定性也是至关重要的。能够实现上述这些性能的关键之处在于如何设计出可以有效地耦合纳米结构的化学电阻阵列且具有低激励电流和低功耗并以此来最大限度地减少化学电阻传感器固有的不稳定性的电子板。
4.参考文献如下：
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[0006]
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[0011]
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技术实现要素：

[0016]
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：
[0017]
一种手持式化学电阻检测器，所述化学电阻检测器包括：
[0018]
传感器模块，用于检测vocs气体；其中，所述传感器由叉指微电极和纳米金薄膜电极组成；
[0019]
化学电阻阵列模块，用于测量传感器纳米结构化学电阻阵列的电阻变化(δr)；其中，所述模块的一个基本型号由8、16、24或32个通道构成，每个通道的测量范围细分为16个范围；
[0020]
显示设备，用于显示传感器的电阻值；
[0021]
微控制器，用于连接化学电阻阵列模块、传感器模块和测量设备；所述微控制器还用于计算电阻值。
[0022]
优选地，所述纳米结构化学电阻阵列测量的电阻变化范围为30ω-300mω。
[0023]
优选地，所述化学电阻阵列可根据每个通道中传感器的初始电阻值(ri)自动搜索通道并确定电阻范围。
[0024]
优选地，所述化学电阻阵列的通道配置为模块化阵列，用于目标传感器阵列接口；所述化学电阻阵列使用多路复用器；所述化学电阻阵列中每个通道所测量的传感器电阻的输出电压信号会被发送到模数转换器。
[0025]
优选地，所述叉指微电极通过光刻技术进行图案化。
[0026]
优选地，所述纳米金薄膜电极中的金纳米颗粒的粒径为2-5nm；所述金纳米颗粒采用有机连接体分子进行封装。
[0027]
优选地，所述有机连接体分子为1,6-己二硫醇，1,4-丁二硫醇，1,8-辛二硫醇，1,5-戊二硫醇，1,9-壬二硫醇，癸硫醇或11-巯基十一烷酸中的一种。
[0028]
优选地，所述显示设备为嵌入式液晶屏、计算机、手机或平板电脑中的一种。
[0029]
所述手持式化学电阻检测器在挥发性有机化合物(vocs)气体检测中的应用。
[0030]
本发明的原理如下：
[0031]
本发明所提供的手持式化学电阻检测器(hcd)在设计上考虑了纳米结构化学电阻阵列传感器的特性，综合了测量精度要求和整体器件成本；并充分利用了电路设计原理，通过选择高性价比器件来进一步提高绝对电阻的测量精度；这是因为合理选择电子元器件对于有效适应电池供电和满足低电流和低功耗的要求至关重要，同时还可以让化学传感器的固有不稳定性达到最小化。此外，还有一个关键的设计特征是采用快速采集跨越几个数量级的不同传感器元件的电阻，这在实例部分会进行详细的阐述。
[0032]
与现有技术相比本发明的增益效果如下：
[0033]
(1)本发明所提供的手持式化学电阻检测器增强了抗干扰能力和高电阻下的稳定性，具有测量非常小的电阻变化的能力。
[0034]
(2)本发明所提供的手持式化学电阻检测器的低开路电压和对传感器的损坏可以忽略不计(注：在运行至少一年后，没有迹象表明电子设备出现"故障"现象)。
[0035]
(3)本发明所提供的手持式化学电阻检测器启动时间短(少于2分钟)。
[0036]
(4)本发明所提供的手持式化学电阻检测器还具有便携性好(实物尺寸仅为70
×
25
×
200mm3，重量也仅为350g)和成本低廉等优点。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例的手持式化学电阻检测器(hcd)的工作示意图。
[0038]
图2是本发明实施例的8传感器阵列响应不同浓度的己烷蒸汽的典型电阻响应曲线图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图详细说明本发明的较佳的实施例。
[0040]
实施例1
[0041]
图1是本发明实施例的手持式化学电阻检测器(hcd)的工作示意图，这里以8通道的检测器为例，其中2-7通道与1和8通道是相似的，故用省略号代替。如图1所示：虚线轮廓内对应的是不同的输入通道；每个通道都包括了锁存器(latch)、滤波器(filter)恒流源(a)、以及模块化的纳米结构化学电阻阵列和与之相连接的目标传感器阵列。此外，在检测器中还包括了多路复用器(mux)、模数转换器(adc)、微控制器单元(mcu)、计算机接口(interface)和电源；所述电源的输入电压为4.5v，输出电压分别为5v和3.3v。这样每个通道测量的传感器电阻的输出电压信号通过多路复用器后被发送到模数转换器，再由微控制器单元计算出电阻值。所述微控制器还与键盘(keyboard)和铁电存储器(fram)相连接。所述检测器的设计允许快速监控阵列传感器的每个通道并将测得的电阻值通过微控制器接口传输到显示器。所述检测器还设置了低死体积流量控制和混合系统(swageiok模块化平台组件(mpc)技术)。
cmos readout circuit for resistive transducers based on algorithmic resistance and power measurement,ieee sens.j.17(2017)7917-7927.)和热化学法(c.l.chang,s.w.chiu,k.t.tang,an adc-free adaptive interface circuit of resistive sensor for electronic nose system,annu.int.conf.ieee eng.med.biol.soc.1(2013)2012-2015；s.w.chiu,k.t.tang,towards a chemiresistive sensor-integrated electronic nose:a review,sensors.13(2013)14214-14247；c.k.leung,d.m.wilson,integrated interface circuits for chemiresistor arrays,ieee int.symp.circuits syst.6(2005)5914-5917；r.c.hughes,s.a.casalnuovo,k.o.wessendorf,d.j.savignon,s.hietala,s.v.patel,b.j.heller,integrated chemiresistor array for small sensor platforms,proc.spie,4038(2000)519-529；x.mu,d.rairigh,a.j.mason,125ppm resolution and 120db dynamic range nanoparticle chemiresistor array readout circuit,ieee int.symp.circuits syst.1(2011)2213-2216.)分别合成了粒径为2nm和5nm的癸烷硫醇酯单层封装的金纳米颗粒，并用.连接体分子包括11-巯基十一烷酸(hs-(ch2)10-co2h，mua)，1，9-壬二硫醇(hs-(ch2)9-sh，ndt)和癸硫醇(hs-(ch2)9-ch3，dt)。蒸气由己烷(hx)产生。因此，本发明制备的纳米颗粒薄膜包括以下两种类型：(1)ndt连接的纳米颗粒(ndt-aunm)和(2)mua连接的纳米颗粒(mua-aunm)。通过"交换-交联-沉淀"路线制备纳米薄膜的步骤如下：首先将连接分子(ndt，mua)与金结合的烷基硫醇化物进行交换，再通过ndt两端的au-s键或mua羧酸末端的氢键进行交联和沉淀；然后将ime衬底在室温下浸入混合了纳米颗粒和硫醇的同一溶液中，并在成膜过程中防止溶剂蒸发；其中，在基板表面生长的薄膜的厚度可由浸入时间控制。相同厚度的薄膜被组装在ime上。用溶剂彻底冲洗所制备的薄膜，并在氮气下干燥即可。本发明构建了一个8传感器阵列，分别由hdt-au2nm，bdt-au2nm，odt-au5nm，pdt-au5nm，ndt-au2nm，mua-au2nm，mua-au5nm和hdt-au5nm(从#1到8)组成；其中hdt为1,6-己二硫醇(1,6-hexanedothiol)，bdt为1,4-丁二硫醇(1,4-butanedithiol)，odt为1,8-辛二硫醇(1,8-octanedithiol)，pdt为1,5-戊二硫醇(1,5-pentanedithiol)，ndt为1,9-壬二硫醇(1,9-nonanedithiol)，mua为11-巯基十一烷酸(11-mercaptoundecanoic acid)。
[0050]
实施例3
[0051]
测量传感器电阻的具体步骤如下：
[0052]
可通过hcd与计算机相连接或使用多通道万用表(kmm，keithley 2700)来测量传感器的电阻。所有实验均在室温(22℃
±
1℃,rh≤20％)下进行。n2气体(99.99％，progas)作为参比气体和稀释剂，通过控制混合比来改变蒸汽浓度。气体流量由校准过的质量流量控制器控制。蒸汽流的流速在5至50ml/min之间，n2的总流量为100ml/min。蒸汽发生系统可参考已经有的文献中的标准操作进行(l.wang,x.shi,n.n.kariuki,m.schadt,g.r.wang,q.rendeng,j.choi,j.luo,s.lu,c.j.zhong,array of molecularly-mediated thin film assemblies of nanoparticles:correlation of vapor sensing with interparticle spatial properties,j.am.chem.soc.129(2007)2161-2170.).测量电阻(r)，并使用相对差分电阻变化δr/ri来评估蒸汽的吸附响应；这里δr是指电阻响应中最大值和最小值的差值，ri是薄膜的初始电阻。将ime器件放置在一个连接了蒸汽和n2发生管道的测试室中，然后根据蒸汽分压以及蒸汽和n2流量的混合比来计算蒸汽浓度(以每升ppm摩尔为单位)，
更多详细的实验细节可参考已有文献(h.w.cheng,s.yan,g.shang,s.wang,c.j.zhong,strain sensors fabricated by surface assembly of nanoparticles,biosens.bioelectron.186(2021)113268-113281.)。具体到本实施例的步骤如下：可将氮气用作载气，使用冲击器系统产生不同浓度的蒸汽，用n2吹扫测试室10分钟，并在所需的蒸汽浓度下测试10分钟即可。
[0053]
实施例4
[0054]
检测vocs的具体步骤如下：参考实施3中的步骤，将己烷蒸汽通入至测试室中进行测试，其中，己烷蒸汽的浓度范围为300ppm～1500ppm，测试结果如图2所示。图2中显示了8传感器阵列响应不同浓度的己烷蒸汽的典型电阻响应曲线，其中灰线为使用hcd和进行电阻测试的曲线，黑线为使用keithley multi-channel multi-channel multimeter 2700(kmm)进行电阻测试的曲线。结果表明：除了传感器电阻的绝对值之外，使用hcd和kmm的响应曲线基本相同，但hcd的电阻值高于kmm的电阻值，这种差异通常被认为反映了电子板设计参数的差异。
[0055]
最后，对比一下hcd和kmm在较宽电阻范围内的电流和电压值，结果如表2所示。从表2中可以看出：当测量到大于1mω的电阻时，hcd的输出电流和功耗显然比kmm小得多。
[0056]
表2 hcd和kmm在较宽电阻范围内的电流和电压值比较表
[0057][0058]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。