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附录A 译文
一种用于监测工业装置工作场所环境的无线传感系统
摘要：在实验室条件下，实现了一种用于印刷柔性包装工业中特定挥发性有机化合物(VOCs)监测的无线传感系统及其传感性能评价。在此基础上，提出了一种基于化学电容的传感器阵列微结构，并将其与相应的低功耗读出电子器件集成，以满足应用的需要。传感单元是一组相互作用的化学电容(IDCs)。无线传感系统是在博览会上进行测试的——模拟真实工业环境的挥发性有机化合物、湿度和气体混合物，原始数据通过无线网络传输并监控到前端软件。结果表明，该传感系统具有良好的传感性能、高重复性和长期稳定性。主成分分析(PCA)的进一步数据处理强调了传感系统区分不同成分/浓度的气体环境的能力。因此，该无线传感系统适用于远程实时无人值守的工业环境监测。
1.介绍
无线传感系统和无线传感器网络(WSNs)是一种小型传感设备，具有制造成本低、功耗低的特点，能够在不同领域得到广泛的应用。目前，它们在环境科学、农业、医学、军事监控和家庭卫生保健或辅助生活等多个领域都很有前景[1-10]。无线传感器网络通常由几个接收器组成，这些接收器又与几个传感器节点(也称为尘粒)通信。与传统的有线传感解决方案相比，这些微粒可以在广泛的环境中工作，并在成本、尺寸、功率、灵活性和分布式智能方面具有优势。尘埃可以改变位置和配置，可以添加或删除，而网络的持续运行仍然是可以实现的。此外，由于无线传感器网络的固有特性，mote可以通过多个跳来与多个复杂的流环境场景间接地联系网络协调器[11]。
智能无线传感器网络的关键部件通常是由传感、处理和通信三个单元组成的几个微粒。传感器是一种分析装置，其中传感材料被应用到合适的物理传感器上，将传感材料性质的变化转换为可读的能量[13]形式。通常用于化学传感的能量转换原理包括辐射能量、电能量、机械能量和热能量。传感器产生的模拟信号转换为数字信号，然后引导到处理单元[14]。在这一步，从传感器获得的信号被处理，以提供有用的信息，有关物种的浓度在感兴趣的样品。这些微尘与它们的嵌入式cpu、射频通信模块和传感器单元一起，从周围环境中收集信息，并通过网关单元相互通信，将测量数据发送到基站进行进一步的[15]处理。这些网关单元还可以通过Internet与其他计算机通信，构建物联网(IoT)[16-18]。
随着无线传感器网络的应用，设施工作区内空气质量的监测、评价和控制成为工业应用的一个重要趋势。因此，现场实时测量，而不是为离线实验室分析收集样本，是非常重要的。在这个方向上，小型化的检测系统是一个主要的趋势。
为此，研制了一种基于zigbee通信协议的mote。在本研究中，我们使用由8个相互交错的化学电容(IDCs)与适当的读出电子元件组成的混合传感器阵列作为分析装置。集成电极(ide)布局的设计/制造在传感性能方面进行了优化，并与雅高的聚合物材料的选择相一致，这些材料将覆盖在传感区域和读出电子规范。然后该系统与无线节点连接，无线节点由网关单元引导和协调。无线传感系统的评估是在实验室条件下进行的暴露于气体环境，模拟一个特殊的印刷弯曲包装工业的工作空间。有效的安全预防措施，涉及溶剂的易燃性[爆炸下限的45% (LEL)]，以及员工安全暴露的上限(时间加权平均，TWA)，均要求持续监测工作区域的气体环境组成。特别是在柔印或轮转凹印技术中，醋酸乙酯是主要的油墨溶剂。因此，对于感兴趣的情况，主要集中在乙酸乙酯蒸汽，对应的值为9000 ppm和400ppm，分别为45% LEL和TWA的[19]。系统也在测试灵敏度/选择性乙醇蒸汽,因为据报道,在行业建立在气候温暖的国家(例如:南欧)为了维持油墨的流动性解决方案,乙酸乙酯通常是混合与低分子量醇对某些油墨。
2.该传感系统的实现
图1给出了一个用于实时应用的WSN概述。每个尘粒包括与所述传感单元连接的无线节点。尘粒与网关单元通信，网关单元收集各种数据，并将其进一步传输到计算机，使用适当的软件进行监视和进一步处理。
本研究以无线感测系统为核心单元，探讨无线感测系统感测效能的实现与评估。下面详细介绍了由传感器阵列和读出电子元件组成的传感单元。
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- 传感器阵列的制造
传感器阵列应适当地设计为沥青应用。化学电容器型传感器的选择是由于其在复杂气体环境中具有良好的传感性能(如选择性/灵敏度、重现性)，同时功耗低[20-24]。作为传感材料的化学电容器介电层是一种对某些分析物具有吸附性能的聚合物层。平面ide的结构通过通过滴铸或喷墨打印应用合适的聚合物材料来满足可行制造和适当个性化的需要[25-27]。
图1所示。无线传感器网络(WSN)实时应用概述。
图2所示。扫描电镜的图像:(a)和临界尺寸1micro;m ide (b) SU-8形成大约每个传感器的传感器阵列。
在硅晶圆上制备了两个具有良好几何形状的互穿梳状金属电极，电极表面有一层厚厚的二氧化硅。二氧化硅层的厚度应满足的基本要求应该是高于一半的空间周期性(h = 2 (W G))的金属电极,以避免通过衬底电场的传播,导致不良间短路效应和相声chemocapacitors相同的芯片[28]。ide优化布局设计的选择是基于以往的理论研究，研究了电极临界尺寸为小型化[29]时灵敏度增益。然后考虑其他参数，如在同一芯片上可制造的传感器的最大数量和符合读出电子规范。后者不可避免地与聚合物传感层的选择有关。下面讨论,组成的传感器阵列的设计选择与不同的IDE 8-IDCsmicro;m布局配置2.0或1.0micro;m临界尺寸在同一芯片似乎最优为目标应用程序。制造流程图采用标准微机械加工/微电子加工步骤。在前人研究的基础上，提出了一种双层PMMA/PEDOT:PSS可以通过电子束光刻(EBL)曝光步骤[26]对ide结构进行图形化。PEDOT:PSS导电聚合物薄膜作为电荷分布层，以避免在波束写入过程中对高度绝缘的衬底进行充电，从而导致电子束偏转，导致图形失真[30,31]。然而，由于附加的旋转涂层和热加工步骤，使用多层抗蚀剂对所需的ide布局进行图形化会增加工艺复杂性和缺陷的概率。本文研究了一种不同于文献[26]的制备工艺。只有一层高分辨率的化学放大正抗蚀剂(UV5)和高灵敏度和对比度的[32]被用于ide结构的模式。然后按照文献[26]中的步骤进行金属化和发射。
厚的金属IDE实现后的二氧化硅层,井50micro;m高度负面的环氧抵抗层(SU-8 3050[33])通过标准IDE区域周围形成i线pho-蚀刻加工,图2。交联的SU-8井用于确定聚合物层将被浇注的区域。最后将传感聚合物层沉积在ide传感区域，构成8-交错电容(IDC) sen- sor阵列。
2.2 传感器读出电子学
微型化系统的电子模块允许测量芯片上所有传感器的电容并将数据传输到无线单元。电子模块的布局如图3所示。采用基于AD7746(模拟设备)的数据采集系统。AD7746是高分辨率,Sigma;-O capacitance-to-digital转换器(CDC)。该结构具有固有的高分辨率(0.5 fF/24位)、高线性度(0.01%)和高精度(4 fF)。它支持i2c兼容和两线串行接口[34]。从AD7746芯片中可用的两个电容通道中，在本例中只使用了一个。环境中的温度变化由嵌入在AD7746芯片中的温度传感器监测。AD7746芯片可以在较低的采集速率下达到相当低的dissi- pation水平(4.75 mW)，这完全符合特定的应用，而它的备用操作甚至更低(2.35 mW)。为了扫描芯片上的所有传感器，使用了商用模拟多路复用器(ADG407 (Ana- log器件))和一个8位I/O扩展器。由于数字转换器的电容和I/O扩展器都支持I2C协议，因此可以实现与无线单元的通信。
图3所示。读出和控制电子模块框图。
图4所示。提出的尘埃图像:传感单元是由传感器阵列和读出电子(右图像)组成的混合系统。传感单元与无线节点(左图像)连接。
传感单元的总占地面积为10平方厘米，如图4所示。尘粒由电池驱动。
2.3 高分子材料的选择
聚合物传感材料的选择取决于其应用领域。在本研究中，聚合物是根据对感兴趣的蒸汽分析物(主要是乙酸乙酯(EtOAc)和水以及乙醇(EtOH)的不同敏感性/选择性而选择的，这是根据它们的吸附能力来估计的。这是通过将几种聚合物材料的薄膜暴露在蒸汽分析物中，并通过白光反射光谱(WLRS)测定每一薄膜的平衡厚度膨胀来实现的[35,36]。
在有湿度的情况下监测挥发性有机化合物时，应使用涂有相对疏水性、但对这些特定化合物敏感/选择性聚合物材料的IDCs。例如，通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜渗透汽化乙酸乙酯混合物的研究表明，对乙酸乙酯[37]具有较大的perm选择性。通过WLRS相应的膨胀测量结果也验证了这一行为，其中对每种感兴趣的蒸汽分析物的相对灵敏度和自洽性进行了估计，见表1。灵敏度用吸附分析物体积分数与蒸汽分析物浓度之比(s/Cg)表示。如表1所示，室温硫化聚(二甲基硅氧烷)(PDMS(RTV615)[38])和聚(甲基丙烯酸正丁酯)(PBMA)薄膜层对乙酸乙酯的敏感性至少比湿度高一个数量级。因此，PDMS (RTV615)和PBMA涂层传感器适合于目标应用。相反，为了高精度监测湿度水平，IDC传感器的响应最好不受其他挥发性化合物的影响。为此，应用了高选择性亲水性聚合物，如聚(2-羟基甲基丙烯酸乙酯)(PHEMA)。在PHEMA的情况下，对湿度的敏感性至少比对乙酸乙酯的敏感性大一个数量级。
另一方面，读出电子模块的测量范围为0 - 210pf，这意味着初始电容值和传感器响应位移应在这一特定范围内。采用idc的电容响应的仿真工具,由传感层的介电常数变化的吸附分析物分子[29],发现对大多数高分子材料,作为PBMA和PDMS,这表现出低介电常数的值(εs 2 - 3),一个配置的idc 1.0micro;m和遥感面积0.7平方毫米是翻译在理想的电容传感器的响应范围。传感区域的进一步小型化只会对灵敏度有微小的提高，而为了满足读出电子规范而导致的传感区域的减少由于制造限制和成本的增加而受到限制。然而,遥感面积0.7平方毫米,高分子材料的使用价值相对高介电常数或idc预测变化超出了可检测范围的上限,在水凝胶中,应该使用ide解决2.0micro;m临界尺寸。因此，对于特定的应用，使用了以下聚聚体材料:PHEMA、PDMS (RTV615)和PBMA。水凝胶涂在ide 2.0micro;m临界尺寸,另两个聚合物ide 1.0micro;m临界尺寸。在相同的8个传感器阵列芯片上，使用多个涂覆相同聚合物的传感器进行稳定性可靠性测试，甚至进行传感器阵列的自标定。特别是,两个ide criti -卡尔维2.0micro;m涂以水凝胶与临界尺寸,其它六种ide 1.0micro;m分开在两组三个相同的涂层聚合物材料,分别PBMA和PDMS (RTV615)。
表1
聚合物材料在接触感兴趣的分析物蒸气时的吸附能力。用白光反射率光谱法(WLRS)对溶胀进行测量，得到了溶胀的结果
2.4 通信单元
该无线节点基于RISC微控制器，功耗极低，为数据采集搭建了灵活的便携式平台。无线节点通过I2C协议收集来自sen- sor读出电子设备的信号，进行一级信号处理，并将数据传输到PrismaSense ZigBee到WiFi网关无线通信单元[39]。该通讯单元是ZigBee传感器网络的协调器，也是ZigBee与WiFi网络之间的桥梁。沟通是双向的;传感器数据通过Gate- way发送到服务器，反之亦然。然后，数据可以提供给每一台运行前端软件进行现场处理的PC机。
为了使无线节点具有低功耗和自主性，它可以根据操作情况处于多种状态。各种状态包括信号采集、信号处理、数据传输、数据接收、睡眠等，其中对电能要求最高的状态是数据传输。输电所需功率约为200兆瓦。因此，根据应用的需要;信号采集频率、数据处理量、数据传输频率、睡眠时间、给单元供电的电池、节点的自主性可以从几天到几个月不等。
3.对传感系统的评价
主要在动态实验室条件下，利用计算机控制的起泡技术，通过LabView软件，建立蒸汽传递实验装置，对传感器阵列的各个传感器进行评价[20,21]
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