用于痕量胺类同系物检测的谐振式微悬臂梁传感器
传感器原理及其应用(第二版)部分习题答案
24.875
精品
第1章 传感器的一般特性
4、何为传感器的静态特性？静态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入输出 特性。 衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞、重 复性、稳定性等。
精品
第1章 传感器的一般特性
5、何为传感器的动态特性？动态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的动态特性是传感器在被测量随时间变化的 条件下输入输出关系。动态特性有分为瞬态响应和频率 响应。
第3章 电感式传感器及其应用
(2) 接成单臂电桥后的电桥输出电压值为： U 0 U 2 Z Z 1 2 Z Z 2 1 U 2 Z Z 0 0 Z Z 0 Z Z 0 U 2 2 Z Z 0 2 4 2 1 8 0 5 . 3 5 - 0 . 1 1 7 V
精品
第1章 传感器的一般特性
3、对某传感器进行特性测定所得到的一组输入—输出数 据如下：
输入x：0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 输出y；2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 试计算该传感器的非线性度和灵敏度。
精品
第1章 传感器的一般特性
当衔铁移动Δδ时，单端式传感器的灵敏度△L/△δ为：
k L L 0 0 5 0 4 .5 1 1 0 0 2 3 m H 1 0 .8H /m 3 3 .9 1 2 H /m
若做成差动结构形式，根据差动的变隙式的灵敏度公式 有：
k 差 动 L 2 L 0 0 2 0 5 .5 4 1 0 1 0 2 m 3 H 2 1 .6H /m 6 7 .8 2 4 H /m
故将其做成差动结构后，灵敏精品度将提高一倍。
JJG国家计量检定规程
测地型GPS接收机
JJF1118-2004
10
6
液位计
液位计
压力式液位计、反射式液位计、电容式液位计、浮子式液位计、浮球式液位计、浮筒式液位计、磁性液位计、磁翻板式液位计、磁翻柱式液位计、电导式液位计、雷达式液位计、雷达导波式液位计、超声波液位计、微波液位计、辐射式液位计、（与上述对应的）物位计
JJG555-1996
JJG13-1997
JJG14-1997
JJG539-1997
22
非自行指示轨道衡
非自行指示轨道衡
JJG142-2002
（铁道部管）
23
数字指示轨道衡
数字指示轨道衡
JJG781-2002
（铁道部管）
24
12
自动衡器
重力式自动装料衡器
定量包装秤、组合装料衡器、定量灌装秤、电子配料秤 、重力式自动装料秤 、颗粒粉料包装秤、面粉包装秤、电脑多头包装秤、重量检测秤
JJG667-1997、JB/T9242-1999
38
转子流量计
玻璃管转子流量计、金属管转子流量计
JJG257-1994、 JB/T6844-1993
39
靶式流量变送器
靶式流量计
JJG461-1986
40
临界流流量计
临界流喷嘴流量计、临界流文丘利喷嘴流量计
JJG620-1994
41
质量流量计
科里奥利力式质量流量计、量热式流量计、冲量式流量计等其它形式质量流量计
JJG583-1988
74
扭转试验机
（数显式、电子式、微机控制、机械式）（金属、非金属）扭转试验机，含扭转计。
JJG269-1981
JJG国家计量检定规程
74
扭转试验机
（数显式、电子式、微机控制、机械式）（金属、非金属）扭转试验机，含扭转计。
JJG269-1981
75
高温蠕变、持久强度试验机
(真空、放射性、自动、真空、多试样、管材爆破、悬臂、拉伸应力)腐蚀持久强度试验机
JJG276-1988
76
木材万能试验机
木材万能试验机
JJG474-1986
JJF1060-1999、GB/T9081-2001
33
16
加气机
液化石油气加气机
液化石油气加气机
JJG996-2005
34
压缩天然气加气机
压缩天然气加气机
JJG997-2005
35
17
流量计
差压式流量计
标准孔板流量计、标准喷嘴流量计、标准文丘利喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、经典文丘利喷嘴流量计、锥管流量计、锥形入口孔板流量计、1/4圆孔板流量计、偏心孔板流量计、圆缺孔板流量计、均速管流量计、楔形流量计、弯管流量计、皮托管流量计
JJG966-2001
5
2
经纬仪
光学经纬仪
光学经纬仪
JJG414-2003
6
电子经纬仪
电子经纬仪
JJG100-2003
7
3
全站仪
全站型电子速测仪
全站型电子速测仪、电子全站仪
JJG100-2003
8
4
水准仪
水准仪
水准管水准仪、自动安平水准仪、数字式水准仪、水准仪
JJG425-2003
9
5
测地型GPS接收机
电子式万能材料试验机
（电子式、微机控制、）万能试验机，含电子引伸计
微拉曼光谱技术及其在微结构残余应力检测中的应用_邱宇
微拉曼光谱技术及其在微结构残余应力检测中的应用MICRO-RAMAN SPECTROSCOPY AND ITS APPLICATIONS TO MEASURE RESIDUAL STRESS IN MICR O-STRUCTURE邱 宇1 雷振坤1 亢一澜1 胡 明2 徐 晗1 牛红攀1(1.天津大学机械学院力学系,天津300072)(2.天津大学电信学院电子科学与技术系,天津300072)QIU Yu1 LEI ZhenKun1 KANG YiLan1 HU Min g2 XU Han1 NIU HongPan1(1.De partment of Me chanics,School of Me chanical Engine ering,Tianjin University,Tianjin300072,China)(2.Department of Electronic Scienc e and Technology,Sc hool of Electronic InformationEnginee ring,Tianjin Unive rsity,Tianjin300072,China)摘要 多孔硅薄膜硅基底结构是微机电系统(micro-electro-mechanical system,ME MS)中的一个基本组元,其厚度为微米量级。
由于薄膜与基底材料之间存在着晶格错配,在薄膜基底间的界面上会出现残余应力,严重时会导致裂纹出现而发生断裂。
微拉曼光谱法(micro-Raman spectroscopy,MRS)是近些年来在化学、物理、材料和力学等学科领域迅速发展的光学测量方法。
文中对这一方法进行介绍,并且用来测量化学腐蚀多孔硅薄膜结构的残余应力,发现随着孔隙率的增加,多孔硅表面的拉伸应力逐渐增大。
特别对某一样品出现裂纹区的拉曼测量表明,在裂纹区的残余应力急剧上升,达到了0.92GPa。
使用金相显微镜观察不同孔隙率的多孔硅薄膜表面的微观形貌,这种不同程度的微观孔穴结构与残余应力的分布存在着紧密的联系。
JJG国家计量检定规程
对巯基苯硼酸修饰石英晶体微天平传感器用于测定唾液酸
石英 晶体微 天平 （ ｕｒ ｒｓ ｌ ｉｒｂｌｎｅ Ｑ Ｍ） 析是 一种 可检测 传感 器表 面 吸附物 质质量 变 Ｑ ａｚｃｙｔ ｃｏａ ｃ ， Ｃ 分 ｔ ａｍ ａ
用 ．在 液 相环境 下 ， Ｃａ在测 定 生物大 分子 如蛋 白质 、核 酸 、病 毒 及细 胞 等方 面 具 有 明显 优 势 ， 定 Ｑｒ 测 共 振频 率 比较容 易达 到较 高 的精确 度 ．目前 ，Ｑ Ｍ 主要 的应 用 领域 有 生 物 医学 ＇ Ｃ ｍ 、材料 科 学 ｎ ］ Ｊ 、
段 淑 静 何 锡 文 ， ，陈 朗星 ，张 玉奎 ＇
（ ．南 开 大 学 化 学 学 院 ， 津 ３０ ７ ； １ 天 ０ ０ １
２ ．中国科学院大连化学物理研 究所 ， 大连 １６ １ ） １０ １
摘要
硼酸与二醇的脱水缩合反应 已被广泛用于检测或 富集顺 式邻位 多羟基化合 物．本 文 以对 巯基苯 硼酸
检测方法 ，为实 际样 品的测定 奠定 了基 础．
关键词
石英 晶体微天平 ；唾液酸 ； 对巯基苯硼酸 ；自组装
０ ５ ６７ 文献 标 识 码 Ａ Ｄ Ｉ １ ．９ ９ ｊｉ ｎ０ ５ Ｊ７０ ２ １ ．３０ ６ Ｏ ： ０ ３ ６／．ｓ ．２ １Ｄ９ ．０２ ０ ．０ ｓ
中图分类号
唾液酸 （ ｉｉ ａｉ， Ａ） 于细胞 膜糖 脂 和糖 蛋 白上糖 链 的末 端 ，是 细胞 表 面 神 经末 梢 的重 要 组 Ｓａｃ ｃ Ｓ 位 ｌ ｄ 成 部分 Ｊ 细胞 发生 病理 改 变 ，特 别 是 恶 性病 变 时 ，癌 细胞 膜 上 的糖 蛋 白 和糖 脂 出现 结 构紊 乱 ， ．在
检测与转换技术期末试题库
传感器习题集及答案第01章 检测与传感器基础1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势。
1.4传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？它们一般可用哪些公式表示？1.5传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？传感器的线性度L γ表征了什么含义？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。
1.6传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？1.7有一温度传感器，微分方程为30/30.15dy dt y x +=，其中y 为输出电压（mV) , x 为输入温度（℃）。
试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。
答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer ）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
1.3答：数字化、集成化、智能化、网络化等。
1.4答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
JJG国家计量检定规程
69
拉力、压力和万能试验机
（液压式、数显式、电子式、微机控制、电液伺服、机械式）（拉力、压力、万能）试验机
JJG139-1999
70
非金属拉力、压力和万能试验机
橡胶拉力机、纸张抗张试验机、单纱强力机、小负荷拉力试验机、微小力值试验机、混凝土压力试验机等
JJG157-1995
71
49
21
风速表
轻便三杯风向风速表
轻便三杯风向风速表、轻便三杯风向风速表
JJG431-1986
50
轻便磁感风向风速表
轻便磁感风向风速表
JJG515-1987
51
电接风向风速仪
电接风向风速仪
JJG613-1989
52
22
血压计和血压表
血压计
电子血压计、数字式血压计、数字式电子血压计、血压监护仪
JJG692-1999
数字压力计、压力校验仪、便携式压力校验仪、压力模块、多功能压力校验仪、标准压力发生器、数字压力表
JJG 875-1994
62
25
压力变送器和压力传感器
压力变送器
压力变送器、差压变送器、绝压变送器、智能压力变送器、智能差压变送器、智能绝压变送器
JJG882-2004
63
压力传感器
压力传感器、差压传感器、绝压传感器等压力传感器
66
悬臂梁式冲击试验机
悬臂式（数显、低温、高温、高低温、标准、示波、三角、半自动、自动、铸铁、拉伸）冲击试验机等。
JJG608-1999
67
轴向加荷疲劳试验机
（电液伺服、高频、低频、拉向、压向、拉压）轴向加荷疲劳试验机
JJG556-1988
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用于痕量胺类同系物检测的谐振式微悬臂梁传感器杨天天;于海涛;许鹏程;李昕欣【摘要】采用化学修饰法,将酸性羧基基团嫁接于高比表面的积的SBA- 15介孔材料中,然后将该功能化介孔材料负载于集成谐振式微悬臂梁表面,制得一种高性能的挥发性胺类同系物传感器.胺类分子的吸附将导致质量型微悬臂梁传感器谐振频率的下降,传感器检测下限可达ppb量级.对一系列胺类同系物的检测结果表明,胺类分子在羧基功能化介孔表面的吸附程度与其气相碱度强弱有关.%Featuring huge specific surface area, synthesized SBA-15 mesoporous silica is functionalized by inner-channel-wall modification of -COOH sensing groups for high-specific amine homologues detection at trace level. With the developed sensing material loaded on resonant micro-cantilever, the specifically adsorbed amine homologue molecules act as an added mass to shift the cantilever resonant-frequency for gravimetric sensing-signal readout. The resonant cantilever sensor experimentally exhibits an ultra-fine detection limit at ppb lever for amine homologue gases. The sensing responses to a series of amine homologues are in accordance with the intensity of their basicties in gas phase.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2011(024)009【总页数】5页(P1233-1237)【关键词】微电子机械系统;化学传感器;微悬臂梁;介孔材料;胺【作者】杨天天;于海涛;许鹏程;李昕欣【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所,传感技术联合国家重点实验室,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,传感技术联合国家重点实验室,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,传感技术联合国家重点实验室,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,传感技术联合国家重点实验室,上海200050【正文语种】中文【中图分类】TP212.2;O472.4挥发性胺类同系物是主要包括甲胺、二甲胺、三甲胺等的恶臭污染物，通常有毒性作用，不仅嗅觉阈限值低，而且是致癌物亚硝胺的前体物。
胺类物质的检测对于环境分析以及保护人的健康至关重要，在临床上也十分值得关注。
此外，三甲胺的检测还是评估鱼类食品新鲜度的重要指标之一［1］。
用来检测挥发性胺类气体的传统方法有气相色谱(如顶空进样色谱法)、分光光度法、高效液相色谱法等等［2］，这些分析手段虽各有优点，但普遍存在对操作人员的专业素质要求高、使用复杂、设备价格昂贵、不能进行现场检测等缺点。
基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的微悬臂梁化学传感器由于具有微型化、灵敏度高、响应迅速、可批量生产、易于集成以及重复性好等优点成为了近年来化学传感器研究的热点［3-5］。
微悬臂梁化学传感器的敏感区域表面涂覆有一层具有特异性识别能力的敏感薄膜，当被测物分子被特异性吸附到微悬臂梁表面时，产生机械响应。
这些纳米级的机械响应包括表面应力变化、热转换、质量变化等。
谐振式微悬臂梁传感器是一种利用检测质量变化引起的谐振频率变化为机理的质量型传感器，已在生化检测方面显现了独特的优势［6-8］，但鲜见将谐振式微悬臂梁传感器用于胺类物质检测的报道。
根据质量型化学传感器的工作原理，在质量型换能器种类及规格一定的情况下，若增加敏感薄膜对目标分子的吸附量，必能提高该传感器的分辨率。
目前研究较多的应用于质量型传感器的敏感薄膜主要有自组装单层膜(self-assembled monolayers，SAMs)、聚合物以及碳纳米管等。
但上述敏感材料在比表面积、活性位点数量、稳定性等方面存在一定不足，制约了微质量型化学传感器的发展［9］。
自从1990s年代介孔材料的合成被报道以来，经过多年的发展，介孔材料已经被广泛应用于吸附材料、离子交换、药物输送和催化等领域。
介孔材料的特征是:比表面积高(可达 1500m2/g［10］)、孔隙率高、孔径均一、孔径连续可调以及热稳定性好等，并且表面易于进行有机功能基团嫁接。
功能化介孔材料的这些特点使其比自组装单层膜、聚合物和碳纳米管更适合作为质量型化学传感器的敏感材料。
本文研究采用先将羧基基团修饰于SBA-15介孔材料中，然后将该功能化介孔材料负载于集成谐振式微悬臂梁表面的方法，制作了一种高灵敏度的挥发性胺类同系物传感器。
通过使用设计制作的胺类传感器对一系列高挥发性胺类同系物进行气相检测，对待测物分子与敏感基团分子之间的作用机理进行了研究。
1 实验部分1.1 谐振式微悬臂梁的设计与制作用于痕量胺类同系物检测的谐振式硅微机械悬臂梁使用电热激励、压阻检测，激励和检测电阻均集成在悬臂梁之上，长度、宽度和厚度分别为200μm、100μm和约3μm［11］。
该微悬臂梁采用微加工工艺制成，具体制作工艺流程如图1所示，并详述如下:选用n型＜100＞的注氧隔离SOI硅片(SIMOX)，顶层硅的厚度为3 μm。
(a)氧化:热干氧化的方法生长2 000 Å的二氧化硅，作为绝缘保护层;(b)正面图形制作与离子注入:光刻并使用BOE刻蚀氧化层，形成正面图形。
去胶后再次光刻出压阻图形，带氧化层注入B+离子制备p型压阻，形成激励与检测电阻;(c)金属引线与保护层制作:用光刻胶做掩膜，用BOE腐蚀掉氧化硅开引线孔，溅射铝，并光刻、刻蚀铝，在形成铝引线后，采用LPCVD(低压化学气相沉积)工艺在硅片表面生长一层3000 Å厚的高质量氧化硅作为保护层，以保护铝线在以后的传感器修饰过程中不被H2SO4+H2O2腐蚀。
保护层生长完毕后，光刻出悬臂梁的形状，并使用RIE(反应离子刻蚀)工艺去掉多余的PECVD氧化硅;(d)正面刻蚀:用光刻胶做掩模，使用感应耦合等离子体深刻蚀(Inductively Coupled Plasma Deep Reactive Ion Etching，ICP-DRIE)正面刻蚀顶层硅至SOI中间氧化层(BOX layer)形成悬臂梁正面结构;(e)背面深刻蚀:用光刻胶做掩模，采用双面对准工艺在SOI硅片背面光刻形成背面刻蚀图形，使用DRIE在背面刻蚀至SOI中间氧化层;(f)结构释放:使用BOE腐蚀掉悬臂梁背面的SOI中间氧化层，释放悬臂梁结构。
图1 谐振式硅微机械悬臂梁制作工艺流程图1.2 羧基功能化SBA－15介孔材料的制备及其在微悬臂梁表面的固定羧基功能化SBA-15介孔材料的制备过程叙述如下:量取 1毫升CES(carbomethoxysilanetriol，sodium salt，25 wt%in water，ABCR 公司)试剂，溶于30 mL去离子水中，以浓度为36 wt%的浓盐酸调节溶液的pH值至4～5之间，将该溶液置于一容积为100 mL的2口圆底烧瓶中备用。
称取大约0.2克的SBA-15型介孔(孔径约为7 nm、比表面积约为876 m2/g)，加入上述2口圆底烧瓶中。
将该圆底烧瓶置于70℃的油浴中，磁力搅拌下回流反应3 d。
待冷却后，将圆底烧瓶中的悬浊液过滤并用去离子水多次洗涤，置于60℃的烘箱中真空干燥，即可得到羧基功能化的介孔粉体。
羧基功能化SBA-15介孔材料在微悬臂梁表面的固定过程叙述如下:称取10 mg羧基功能化介孔粉体，以超声分散于1毫升去离子水中，制得羧基功能化介孔的悬浊液。
在光学显微镜(Leica公司，型号DM4000)下，利用显微操作系统(Eppendorf公司，型号PatchMan NP2)将羧基功能化介孔的悬浊液精确滴于谐振式微悬臂梁器件的自由端附近表面，置于80℃的烘箱中干燥2 h，取出备用。
1.3 表征与敏感性能测试羧基功能化SBA-15介孔材料的纳米结构使用高分辨透射电子显微镜进行表征(HR-TEM，JEOL-2010F，加速电压为200 kV)，样品的吸附脱附曲线及比表面积测定由Micromeritics ASAP 2020完成。
为证实功能化介孔材料被成功羧基化，我们使用真空型傅里叶红外光谱(FT-IR，Bruker Vertex 70v)对其进行了红外光谱测定。
固定有羧基功能化SBA-15介孔材料的谐振式微悬臂梁化学传感器采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，Hitachi S4700，加速电压为1 kV～15 kV)进行形貌观察。
传感器敏感性能测试使用实验室搭置的气体测试装置。
其中，微悬臂梁传感器放置在具有进气口和出气口各一个的密闭检测池中。
浓度为10×10-6的甲胺(MMA)，二甲胺(DMA)，三甲胺(TMA)标准气体由南京麦克斯南分特种气体有限公司提供。
纯度为99.999%的高纯氮气购于上海浦江特种气体有限公司。
指定浓度的胺类气体使用气体校准装置(国家标准物质研究中心)将标准气体利用高纯氮气稀释得到，并通过一个四通阀连接到检测池。
调节四通阀可以将进入检测池的气体在胺类气体与高纯氮气之间切换。
微悬臂梁传感器通过连接PLL闭环接口电路工作在谐振状态下，并使用频率计(Agilent公司，型号53131A)将输出的谐振频率信号在电脑上进行同步记录。
2 结果与讨论羧基功能化SBA-15介孔材料的高分辨透射电镜图像(如图2所示)清晰的显示了修饰后的介孔材料结构仍然保持完好，呈现高度有序的六角型p6mm结构，未见塌陷或破损。
图2 羧基功能化介孔材料的高分辨透射电镜图像SBA-15介孔材料和羧基功能化SBA-15介孔材料的氮气吸附脱附等温线均为IV型(见图3)，SBA-15介孔材料经过羧基功能化后，比表面积由876 m2/g下降至337 m2/g，这是由于部分CES分子在孔口处进行了修饰，堵塞部分孔道造成的。
图3 SBA-15介孔材料在羧基功能化前后的氮气吸附等温线羧基功能化SBA-15介孔材料的FT-IR测定结果如图4所示。