基于MoSe2 纳米结构的乙醇气体检测系统

周兰娟， 杜 宸， 张冬至

（中国石油大学（华东）控制科学与工程学院，山东青岛 266580）

0 引 言

随着我国经济的高速发展，汽车的保有量不断上升，我们的日常生活因为汽车变的更加方便、舒适，但相对也带来了许多交通隐患。在这些交通隐患中，大多都是因为饮酒后驾驶汽车引起的，所以对乙醇浓度的检测十分必要［1-4］。根据不同的气敏材料和气体传感特性，乙醇气体传感器主要有半导体、固体电解质、电化学、接触式燃烧气体传感器，其中半导体气体传感器具有高灵敏度和响应迅速的特点，在许多领域被广泛应用［5］。

本文利用新型二维纳米材料MoSe2对乙醇气体具有高灵敏度和响应迅速的显著优势，采用水热合成方法制备了MoSe2薄膜传感器。水热法制备MoSe2具有成本低、晶粒结构完整、分散均匀等特点。研究了MoSe2气敏元件在不同浓度下对乙醇的气敏响应性能。设计了基于MSP430 微处理器的信号处理、通信电路，外部信号经处理后直接输出数字信号，分别通过蓝牙模块传输到手机端，RS-232 总线与上位机相连［6-9］。结合LabVIEW技术设计了乙醇检测系统的人机交互界面［10-11］。

1 实验与制作

1.1 气敏材料及传感器制备

首先使用精密天平称量硒粉末0.5 g，硼氢化钠（NaBH4）0.1 g，钼酸钠晶体0.6 g。再使用注射器取25 mL的无水乙醇。将这些材料全部加入25 mL去离子水中使用搅拌器搅拌1 h。1 h 后将所得混合物转移至100 mL高压釜中并在200 ℃下加热48 h（制备过程见图1）。将制备好的二硒化钼粉末添加到适量去离子水中，通过微量注射器滴涂在叉指电极上，烘干后即可得到乙醇气敏元件。

图1 水热合成二硒化钼制备过程

1.2 仪器和表征

实验装置如图2 所示，数据采集装置为Agilent 34970A。采集到的数据通过RS-232 总线传送到计算机实现数据的实时显示和记录存储。通过向750 mL锥形瓶气室内中注射不同浓度的无水乙醇，测试不同浓度下薄膜传感器的电阻响应。乙醇在气态下的浓度

图2 气敏实验装置图

式中：ρ代表液态乙醇的密度（g/mL）；T为液态挥发时的温度（一般为室温，K）；VS代表注入液态乙醇的体积（mL）；V为容器的容积（L）；M为乙醇的摩尔质量，46 g/mL；ρ取0.789 g/cm3；T取298 K。

采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对所制备的MoSe2粉末进行表征，结果如图3所示。图3 展示了二硒化钼的表面形貌，是由纳米片组成的纳米花形状；通过表征所得二硒化钼的晶格间距为0.28 nm，其所对应的晶面为（100）。

图3 二硒化钼的SEM、TEM图

采用X射线衍射仪（XRD）和X 射线光电子能谱分析仪（XPS）对MoSe2进行表征，结果如图4、5 所示。由图4 可以看出，MoSe2的主要衍射峰在14°，33°，37°，56°，65° 和71°。它们分别对应着MoSe2的（002）、（100）、（103）、（110）、（200）和（203）晶面。由图5（a）所示，在228.6 和231.85 eV处的两个峰来自于Mo4＋3d3/2与Mo4＋3d5/2。在图5 （b）中，Se2＋3d 光谱在54.26 和55.10 eV分别对应S2－e3d5/2和S2－e3d3/2。

图4 二硒化钼XRD图

图5 不同结合能下二硒化钼XPS图

1.3 检测系统设计与制作

本检测系统是以单片机MSP430G2553 为核心，信号转换电路、报警电路、蓝牙传输电路、上位机显示电路组成，系统总体框图如图6 所示。通过惠斯通电桥、运放芯片、电阻等元器件构成信号转换电路。将收集到的电阻变化信号转换为电压变化信号，再通过MSP430G2553 内置的8 通道十位ADC，将模拟电压信号转换为数字电压信号；单片机处理信号后得出被测浓度，若浓度超出设定范围则将唤醒声光报警系统；单片机将处理后的信号传输到屏幕LCD1602 上；处理后的数据通过HC-05 蓝牙模块传输到手机端显示，同时也通过RS-232 转USB 总线将数据传输到PC 端的上位机LabVIEW中进行实时数据和数据曲线显示。惠斯通电桥电路如图7 所示，由OP07CP 放大器和电阻元件组成，图中：R1、R2是5 MΩ的固定电阻；R4是10 MΩ的固定电阻；R3＋R5为传感器电阻；R6和R7则用来调节电路的放大倍数。令R6＝R8、R7＝R9，经简化可得电桥输出电压与传感器电阻变化量之间的关系为

图6 系统总体框图

图7 惠斯通电桥测量电路

模数转换电路使用了MSP430G2553 中内置的一个8 通道十位ADC 模块，8 通道表示有8 个ADC 引脚，可用于测量模拟电压，十位表示ADC 的分辨率（210＝1 024），即ADC 值的范围将从0 ～1 023。若参比电压为UREF，则测量模拟电压

乙醇检测装置见图8，上位机使用LabVIEW VISA串口读取单片机输出的数据，其程序框图如图9 所示，包括串口配置模块、数据校验模块、数据读取及显示模块。数据读取及显示模块使用值及波形图表在读取当前值的同时显示数据的走向趋势。

图8 乙醇检测装置

图9 LabVIEW程序框图

2 实验结果分析

研究不同浓度的乙醇环境下MoSe2薄膜乙醇传感器的性能，对该传感器在（0 ～5）× 10－6范围内进行步长为1 × 10－6的浓度响应测试，测试结果见图10。随着乙醇浓度瓶内环境浓度的不断增大，传感器电阻显著减小。对（1，2，3，4，5）× 10－6的响应值分别为9.71、9.56、9.41、9.27、9.12 MΩ。当环境浓度从0 变为5 × 10－6的过程中，二硒化钼传感器的电阻下降了1 MΩ左右，且不同浓度环境下回到空气瓶后，电阻基值仍能回到最初的基值，说明了其具有良好的恢复性。传感器的线性度是衡量传感器性能的重要指标之一，通过中传对测试得到的在（0 ～5）× 10－6浓度范围感器的阻值进行拟合，得到一条近似线性的曲线，拟合曲线如图11 所示。输出电阻随着气体浓度的增大而增大，其拟合方程为y ＝－ 0.15x ＋9.869 2，拟合相关系数R2＝0.99，传感器具有良好的线性特性。

图10 传感器对不同浓度乙醇气体的响应

图11 乙醇气化浓度测量拟合曲线图

上位机人机交互界面见图12，包括上位机控制面板、气体浓度实时值、气体浓度趋势曲线、输出电压趋势曲线、串口参数配置等。在750 mL锥形瓶中配置浓度为3 × 10－6的乙醇环境，观测到系统对乙醇具有良好的响应。图12 为上位机LabVIEW 测试截图，分别给出了电压值和乙醇测试浓度值的变化曲线。气体注入后传感器输出响应电压增加而后平稳，气体释放后传感器输出电压恢复起始值。

图12 上位机测试界面图

3 结 语

文中采用水热法制备MoSe2薄膜乙醇传感器。测试结果表明，该传感器对乙醇气体有较好的气敏响应以及线性特性。文中将新型二维纳米材料二硒化钼和乙醇气敏检测结合起来，通过化学方法制备了二硒化钼，采用滴涂法制备了二硒化钼传感器件，并设计了一套以单片机为核心的检测系统，对传感器收集到的信号进行采集与处理，构建实验平台进行了实验研究，设计了实用的上位机交互界面，具有数据实时显示、走向趋势显示等功能，有较强的实用性。

·名人名言·

聪明的资质、内在的干劲、勤奋的工作态度和坚韧不拔的精神，这些都是科学研究成功所需的其他条件。

——贝弗里奇