基于MoSe2 納米結構的乙醇氣體檢測系統

周蘭娟， 杜 宸， 張冬至

（中國石油大學（華東）控制科學與工程學院，山東青島 266580）

0 引 言

隨著我國經濟的高速發展，汽車的保有量不斷上升，我們的日常生活因為汽車變的更加方便、舒適，但相對也帶來了許多交通隱患。在這些交通隱患中，大多都是因為飲酒后駕駛汽車引起的，所以對乙醇濃度的檢測十分必要［1-4］。根據不同的氣敏材料和氣體傳感特性，乙醇氣體傳感器主要有半導體、固體電解質、電化學、接觸式燃燒氣體傳感器，其中半導體氣體傳感器具有高靈敏度和響應迅速的特點，在許多領域被廣泛應用［5］。

本文利用新型二維納米材料MoSe2對乙醇氣體具有高靈敏度和響應迅速的顯著優勢，采用水熱合成方法制備了MoSe2薄膜傳感器。水熱法制備MoSe2具有成本低、晶粒結構完整、分散均勻等特點。研究了MoSe2氣敏元件在不同濃度下對乙醇的氣敏響應性能。設計了基于MSP430 微處理器的信號處理、通信電路，外部信號經處理后直接輸出數字信號，分別通過藍牙模塊傳輸到手機端，RS-232 總線與上位機相連［6-9］。結合LabVIEW技術設計了乙醇檢測系統的人機交互界面［10-11］。

1 實驗與制作

1.1 氣敏材料及傳感器制備

首先使用精密天平稱量硒粉末0.5 g，硼氫化鈉（NaBH4）0.1 g，鉬酸鈉晶體0.6 g。再使用注射器取25 mL的無水乙醇。將這些材料全部加入25 mL去離子水中使用攪拌器攪拌1 h。1 h 后將所得混合物轉移至100 mL高壓釜中并在200 ℃下加熱48 h（制備過程見圖1）。將制備好的二硒化鉬粉末添加到適量去離子水中，通過微量注射器滴涂在叉指電極上，烘干后即可得到乙醇氣敏元件。

圖1 水熱合成二硒化鉬制備過程

1.2 儀器和表征

實驗裝置如圖2 所示，數據采集裝置為Agilent 34970A。采集到的數據通過RS-232 總線傳送到計算機實現數據的實時顯示和記錄存儲。通過向750 mL錐形瓶氣室內中注射不同濃度的無水乙醇，測試不同濃度下薄膜傳感器的電阻響應。乙醇在氣態下的濃度

圖2 氣敏實驗裝置圖

式中：ρ代表液態乙醇的密度（g/mL）；T為液態揮發時的溫度（一般為室溫，K）；VS代表注入液態乙醇的體積（mL）；V為容器的容積（L）；M為乙醇的摩爾質量，46 g/mL；ρ取0.789 g/cm3；T取298 K。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對所制備的MoSe2粉末進行表征，結果如圖3所示。圖3 展示了二硒化鉬的表面形貌，是由納米片組成的納米花形狀；通過表征所得二硒化鉬的晶格間距為0.28 nm，其所對應的晶面為（100）。

圖3 二硒化鉬的SEM、TEM圖

采用X射線衍射儀（XRD）和X 射線光電子能譜分析儀（XPS）對MoSe2進行表征，結果如圖4、5 所示。由圖4 可以看出，MoSe2的主要衍射峰在14°，33°，37°，56°，65° 和71°。它們分別對應著MoSe2的（002）、（100）、（103）、（110）、（200）和（203）晶面。由圖5（a）所示，在228.6 和231.85 eV處的兩個峰來自于Mo4＋3d3/2與Mo4＋3d5/2。在圖5 （b）中，Se2＋3d 光譜在54.26 和55.10 eV分別對應S2－e3d5/2和S2－e3d3/2。

圖4 二硒化鉬XRD圖

圖5 不同結合能下二硒化鉬XPS圖

1.3 檢測系統設計與制作

本檢測系統是以單片機MSP430G2553 為核心，信號轉換電路、報警電路、藍牙傳輸電路、上位機顯示電路組成，系統總體框圖如圖6 所示。通過惠斯通電橋、運放芯片、電阻等元器件構成信號轉換電路。將收集到的電阻變化信號轉換為電壓變化信號，再通過MSP430G2553 內置的8 通道十位ADC，將模擬電壓信號轉換為數字電壓信號；單片機處理信號后得出被測濃度，若濃度超出設定范圍則將喚醒聲光報警系統；單片機將處理后的信號傳輸到屏幕LCD1602 上；處理后的數據通過HC-05 藍牙模塊傳輸到手機端顯示，同時也通過RS-232 轉USB 總線將數據傳輸到PC 端的上位機LabVIEW中進行實時數據和數據曲線顯示。惠斯通電橋電路如圖7 所示，由OP07CP 放大器和電阻元件組成，圖中：R1、R2是5 MΩ的固定電阻；R4是10 MΩ的固定電阻；R3＋R5為傳感器電阻；R6和R7則用來調節電路的放大倍數。令R6＝R8、R7＝R9，經簡化可得電橋輸出電壓與傳感器電阻變化量之間的關系為

圖6 系統總體框圖

圖7 惠斯通電橋測量電路

模數轉換電路使用了MSP430G2553 中內置的一個8 通道十位ADC 模塊，8 通道表示有8 個ADC 引腳，可用于測量模擬電壓，十位表示ADC 的分辨率（210＝1 024），即ADC 值的范圍將從0 ～1 023。若參比電壓為UREF，則測量模擬電壓

乙醇檢測裝置見圖8，上位機使用LabVIEW VISA串口讀取單片機輸出的數據，其程序框圖如圖9 所示，包括串口配置模塊、數據校驗模塊、數據讀取及顯示模塊。數據讀取及顯示模塊使用值及波形圖表在讀取當前值的同時顯示數據的走向趨勢。

圖8 乙醇檢測裝置

圖9 LabVIEW程序框圖

2 實驗結果分析

研究不同濃度的乙醇環境下MoSe2薄膜乙醇傳感器的性能，對該傳感器在（0 ～5）× 10－6范圍內進行步長為1 × 10－6的濃度響應測試，測試結果見圖10。隨著乙醇濃度瓶內環境濃度的不斷增大，傳感器電阻顯著減小。對（1，2，3，4，5）× 10－6的響應值分別為9.71、9.56、9.41、9.27、9.12 MΩ。當環境濃度從0 變為5 × 10－6的過程中，二硒化鉬傳感器的電阻下降了1 MΩ左右，且不同濃度環境下回到空氣瓶后，電阻基值仍能回到最初的基值，說明了其具有良好的恢復性。傳感器的線性度是衡量傳感器性能的重要指標之一，通過中傳對測試得到的在（0 ～5）× 10－6濃度范圍感器的阻值進行擬合，得到一條近似線性的曲線，擬合曲線如圖11 所示。輸出電阻隨著氣體濃度的增大而增大，其擬合方程為y ＝－ 0.15x ＋9.869 2，擬合相關系數R2＝0.99，傳感器具有良好的線性特性。

圖10 傳感器對不同濃度乙醇氣體的響應

圖11 乙醇氣化濃度測量擬合曲線圖

上位機人機交互界面見圖12，包括上位機控制面板、氣體濃度實時值、氣體濃度趨勢曲線、輸出電壓趨勢曲線、串口參數配置等。在750 mL錐形瓶中配置濃度為3 × 10－6的乙醇環境，觀測到系統對乙醇具有良好的響應。圖12 為上位機LabVIEW 測試截圖，分別給出了電壓值和乙醇測試濃度值的變化曲線。氣體注入后傳感器輸出響應電壓增加而后平穩，氣體釋放后傳感器輸出電壓恢復起始值。

圖12 上位機測試界面圖

3 結 語

文中采用水熱法制備MoSe2薄膜乙醇傳感器。測試結果表明，該傳感器對乙醇氣體有較好的氣敏響應以及線性特性。文中將新型二維納米材料二硒化鉬和乙醇氣敏檢測結合起來，通過化學方法制備了二硒化鉬，采用滴涂法制備了二硒化鉬傳感器件，并設計了一套以單片機為核心的檢測系統，對傳感器收集到的信號進行采集與處理，構建實驗平臺進行了實驗研究，設計了實用的上位機交互界面，具有數據實時顯示、走向趨勢顯示等功能，有較強的實用性。

·名人名言·

聰明的資質、內在的干勁、勤奮的工作態度和堅韌不拔的精神，這些都是科學研究成功所需的其他條件。

——貝弗里奇