薄膜化學(xué)傳感器飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)/INTRODUCE引入化學(xué)傳感技術(shù)已正式應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，并展現(xiàn)出在腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)施的巨大潛力。在針對(duì)飛機(jī)腐蝕的監(jiān)測(cè)任務(wù)中，該技術(shù)主要依賴(lài)于電化學(xué)探針或傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣腐蝕參數(shù)及金屬結(jié)構(gòu)腐蝕速率的精準(zhǔn)檢測(cè)。/CONTENTS目錄離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管01離子選擇性探針02電容式傳感器03pH傳感器04離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管PART01離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）作為一類(lèi)電位傳感器，已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷以及工業(yè)過(guò)程控制等。從本質(zhì)上看，ISFET屬于三端半導(dǎo)體器件，其電流流動(dòng)受到電場(chǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控。這一器件的構(gòu)成主要包括柵極通道、源極、漏極以及柵極絕緣體等核心組件。一、離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為電位傳感器的ISFET，其核心功能在于能夠根據(jù)離子分布的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的電流信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)這一傳感過(guò)程，通常會(huì)將柵電極表面涂覆一層離子選擇性材料，如離子載體混合物或金屬氧化物等。這些材料具有高度的選擇性，能夠針對(duì)特定的離子進(jìn)行可逆性結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)FET溝道電流以及表面電位的精確調(diào)節(jié)與控制。一、離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管最先進(jìn)的ISFET傳感器以無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料（如硅）作為柵極通道構(gòu)建而成。然而，在試圖縮小此類(lèi)設(shè)備的尺寸時(shí)，可能會(huì)面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)榉直媛实母叩驮诤艽蟪潭壬鲜苤朴谕ǖ赖某叽纭⑤d流子的遷移率，以及FET通道與離子結(jié)合位點(diǎn)之間的電容效應(yīng)。鑒于石墨烯具備卓越的大表面積與體積比特性，以及高載流子遷移率，基于石墨烯的ISFET展現(xiàn)出克服上述挑戰(zhàn)的巨大潛力。一、離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管目前研究表明，一種基于石墨烯ISFET的電化學(xué)傳感器陣列，該陣列通過(guò)在石墨烯通道上沉積離子選擇性膜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cl-離子及其他多種離子濃度的精確測(cè)量。該傳感器陣列不僅能夠在多離子電解質(zhì)溶液中實(shí)時(shí)、同步地監(jiān)測(cè)多種離子的濃度變化，而且展現(xiàn)出了高靈敏度和高分辨率的優(yōu)異性能。一、離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管離子選擇性探針PART02離子選擇性探針作為一種電位傳感技術(shù)，其核心在于在無(wú)電流流動(dòng)條件下，通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)電極間電壓的變動(dòng)來(lái)精確測(cè)定特定離子的濃度。該技術(shù)憑借其卓越的穩(wěn)定性、對(duì)競(jìng)爭(zhēng)物種的高選擇性、快速的響應(yīng)速度以及較低的成本，已在臨床及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。二、離子選擇性探針離子選擇性探針通常由兩個(gè)或三個(gè)電極構(gòu)成，具體配置依據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)景而定。其中，一個(gè)電極承擔(dān)工作電極（WE）的角色，而另外兩個(gè)則分別作為參考電極（RE）和對(duì)電極（CE）。這些電極可能由相同或不同的材料制成，但工作電極表面覆蓋有特定的離子選擇性材料或膜，作為能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件。相比之下，RE/CE則保持恒定的電位狀態(tài)，且對(duì)分析物的變化不敏感。二、離子選擇性探針在測(cè)量過(guò)程中，電極與分析物直接接觸，引發(fā)工作電極上的離子選擇性膜與分析物之間的相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生與離子濃度密切相關(guān)的電位變化。鑒于石墨烯等有機(jī)材料及其衍生物在靈敏度快速響應(yīng)及成本效益方面的顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，科學(xué)家們已多次嘗試將這些材料應(yīng)用于化學(xué)傳感器的制造中。二、離子選擇性探針一種基于石墨烯的固體接觸離子選擇性電極（ISE），用于鉀離子的濃度測(cè)量。該ISE的制備過(guò)程包括將石墨烯片沉積于拋光后的玻璃碳（GC）電極表面，并隨后在GC/石墨烯電極上涂覆一層離子選擇性膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該基于石墨烯的ISE在采用計(jì)時(shí)電位法、電位傳感及電化學(xué)阻抗譜等測(cè)試方法時(shí)，均表現(xiàn)出優(yōu)異的工作性能，且其性能與碳納米管（CNT）電極相當(dāng)，甚至在某些方面如長(zhǎng)期穩(wěn)定性上更為出色。此外，該ISE還具備小型化及大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。二、離子選擇性探針基于上述研究，通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化處理，使其對(duì)特定分析物（如氯化物、金屬氧化物等）具有選擇性，所制備的石墨烯離子選擇性電極有望進(jìn)一步應(yīng)用于腐蝕事件相關(guān)化合物的濃度測(cè)量中。二、離子選擇性探針電容式傳感器PART03電容傳感技術(shù)是一種基于測(cè)量介電環(huán)境中導(dǎo)體間電容變化來(lái)探測(cè)化學(xué)物質(zhì)存在及其濃度的傳感手段。該技術(shù)歷史悠久，尤其在濕度與pH值檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，得益于其出色的穩(wěn)定性、高靈敏度以及與CMOS技術(shù)的良好兼容性，電容傳感技術(shù)在化學(xué)傳感領(lǐng)域備受矚目。三、電容式傳感器化學(xué)電容傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)約，核心組件為兩個(gè)涂覆有離子選擇性介電層的叉指電極（IDE），如圖所示。當(dāng)敏感層捕獲分析物離子時(shí)，其物理屬性及介電常數(shù)隨之變化，進(jìn)而引發(fā)電位波動(dòng)。三、電容式傳感器一種柔性電容式濕度傳感器，該傳感器采用GO片作為傳感層。其制作工藝涉及在紙纖維上自組裝GO層，并隨后沉積叉指電極，如圖所示。得益于自組裝GO層的高孔隙率，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)雙向氣流監(jiān)測(cè)，因此適用于環(huán)境因素的實(shí)時(shí)檢測(cè)。此外，應(yīng)變測(cè)試結(jié)果顯示，傳感器在彎曲狀態(tài)下的靈敏度保持穩(wěn)定，這一特性與電阻式纖維素紙基傳感器相媲美。三、電容式傳感器盡管離子選擇性與電容傳感技術(shù)在特定離子檢測(cè)方面已展現(xiàn)出顯著成效，但在提升選擇性與分辨率方面仍面臨挑戰(zhàn)。其他離子的干擾作用不容忽視，它們可能與傳感膜發(fā)生可逆結(jié)合，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的偏差。此外，長(zhǎng)時(shí)間維持敏感膜于飽和狀態(tài)對(duì)于某些材料（尤其是聚合物膜）而言具有挑戰(zhàn)性，這可能損害傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。三、電容式傳感器pH傳感器PART04在腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，pH值的變化是評(píng)估腐蝕事件發(fā)生及其發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，對(duì)pH值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性至關(guān)重要。歷經(jīng)多年研究，已開(kāi)發(fā)出多種pH傳感技術(shù)，其中紙條與玻璃電極法最為普遍。然而，這些方法在精準(zhǔn)度、耐用性及小型化方面存在明顯局限，限制了其廣泛應(yīng)用。四、pH傳感器近年來(lái)，pH傳感技術(shù)呈現(xiàn)出向高度靈敏、小型化及耐惡劣環(huán)境方向發(fā)展的趨勢(shì)，如光纖傳感器、電位傳感器及離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）等新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)。尤為值得一提的是，離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為玻璃探針的有效替代品，憑借其小巧的體積、卓越的耐用性及長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，正逐漸受到業(yè)界的青睞。四、pH傳感器場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能優(yōu)劣，很大程度上取決于其有源通道的靈敏度及響應(yīng)特性。在pH傳感領(lǐng)域，已有多種材料被嘗試用于構(gòu)建傳感器，如氧化鋁、聚甲基丙烯酸（PMAA）、硅酸鹽、水凝膠及熒光染料等。然而，由于這些材料在靈敏度、穩(wěn)定性及商業(yè)化生產(chǎn)方面存在挑戰(zhàn)，其應(yīng)用受到了一定限制。四、pH傳感器隨著石墨烯材料從高度取向的熱解石墨中成功剝離，其在pH傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。與玻璃碳及碳納米管（CNT）電極相比，石墨烯以其卓越的電化學(xué)響應(yīng)性、對(duì)含氧基團(tuán)（如OH-）的高度敏感性及高效的熒光猝滅能力，成為pH傳感領(lǐng)域的優(yōu)選材料。四、pH傳感器/SUMMARY小結(jié)薄膜化學(xué)傳感器:

薄膜化學(xué)傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，重點(diǎn)講解了離子選擇性電極(ISE)、離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)、電化學(xué)電