3.实验结果：
3.1密度与粘度测量结果
为了进行裸露的悬臂梁的标准密度和粘度校准，我们在0至60℃之间的温度和1至10bar之间的压力环境下测量了4种不同的气体（N2，CO2，Ar和He）。根据相应的模型，通过拟合传感器数据来校准传感器输出。表3列出了六个不同悬臂所达到的测量性能，以图10中的一个悬臂的测量数据为例，测量数据的密度和粘度偏差（置信度为95％）分别在0.023至0.056 kg / m3和0.18至0.38μPa·s之间。相当于测量气体读数值的1％至2％（详见图10）
表3：在0至60℃和1至10bar的环境下，利用N2，CO2，Ar和He进行校准后，裸悬臂的测量性能
图10：根据相应的模型校准的＃149悬臂梁的密度和粘度测量数据。显示了在4.5至60℃和1至10 bar的环境下对4种气体（N2，CO2，Ar和He）的测量值。 绘制了模型估算值与NIST Refprop数据库[19]的理论值的偏差。粘度数据不包括在低于6 bar的压力下使用氦气进行的测量，在此情况下，建议的粘度模型不起作用。
通过借助模型或特性数据库，我们可以根据在给定环境下的气体密度和粘度去区分大多数典型的工业气体，在这项工作中，我们参考了美国国家标准技术研究院提供的流体热力学和传输特性（NIST Refprop）参考数据库[19]，通过将实验计算得到的不同二元混合物在标准条件下的密度和粘度数据与参考数据进行比较，得到图11，黄色菱形标记了从[19]中获得的各种纯净气体的理论密度和粘度值。灰色虚线标记了混合单一组分时的理论密度和粘度。红点标记代表不同的二元混合测量示例，这些点大致位于预期的测量不确定度内。由于模型提供了粘度估计，因此该方法也适用于具有类似分子量的气体（例如氩气和CO2）的混合物，如果没有这些额外的信息，就很难区分所有的Ar和CO2混合物，并且很难区分Ar-70％/ He-30％，Ar-72％/ H2-28％和N2-90％/ CO2-10％混合物。
图11：根据传感器模型和NIST Refprop数据库[19]给出的密度和粘度值估算二元气体成分。
3.2 湿度测量结果
我们使用标准气体混合物（水含量为100 ppm的氩气）或干燥空气和环境空气的混合物进行ppm级湿度的实验，该混合物以不同的流速通过测量室。 通过将干燥空气的体积流量从30 scc / min调整到100 scc / min，可以改变测量室中的湿度。测量室内的参考露点传感器始终以0.4 ℃的测量不确定度监视湿度（露点）[15]。 根据气体的露点和温度，可以计算出H2O分压或蒸汽浓度，以确认水的稀释率。
???? 图12显示了使用多参数气体系统进行典型测量的示例。经过数次加热循环，直至温度> 200 ℃，感测材料可以视为已完全脱气。当暴露于潮湿气体（在这种情况下为蒸气浓度为100 ppmV的氩气）时，
通过相关的公式可知，由于水分子的吸附以及相关的质量增加，被覆悬臂的频率缓慢向下漂移。相反，在同一实验中，原始悬臂的频率漂移实际上可以忽略不计。可以看出，吸附过程相当缓慢。可能需要几个小时才能达到平衡。该观察结果归因于流体动力学条件，即层流状态Re = 1。测量室内的实验气体速度约为1 mm / s，即比典型值低三个数量级常用[10,20,21]，响应时间低于3分钟。这就是为什么进一步的努力专门用于气体测量室。
在相同温度下，MCM-48涂层＃166芯片（在270分钟后为-30 Hz）下，在29°C下暴露于100 ppmV H2O的氩气时，悬臂的频移要小于CBV100涂层＃181芯片的悬臂的频移。（-90分钟后为-50 Hz）。不同的传感材料负载可支持此观察，如分别为15 ng和48 ng的＃166和＃181芯片。出乎意料的是，工作温度对谐振频率的影响几乎可以忽略不计（见图12）。显然，该观察结果与通常的Langmuir吸附理论[22-24]和等温线实验的发现相矛盾（图6）。通常，由于吸附过程的放热，平衡条件下的吸附量随温度降低。另一方面，在较厚的吸附剂膜上的表观吸附动力学随温度而提高，这主要是由于吸附物质从外表面向内部纳米孔网络的扩散。另一方面，在较厚的吸附剂膜上的表观吸附动力学随温度而提高，这是由于吸附物质从外表面向内部纳米孔网络的扩散是控制步骤。但是，在我们的吸附表面上似乎不是这种情况，因为它们的厚度值通常低于1微米（见图8g，h）。我们的解释依赖于由于吸水而产生的综合质量应力效应。由于我们使用的悬臂厚度非常薄，范围为2.5至4.5 μm，而涂层的厚度可以为0.1至1 μm或更大，因此还必须考虑涂层的内部刚度。这意味着频率漂移不能仅用质量效应来解释，而很可能也是涉及到的刚度效应[25]。Baimpos等在文献[26]中描述了例如分子吸附后沸石膜的弹性，即杨氏模量的变化。确定了该效应还受到温度的影响。在我们的案例中，这种效应可能会放大，减弱甚至控制质量对频率的影响。
图12：顶部：MCM-48涂层悬臂＃166和原始悬臂＃167暴露于29°C和990 mbar、30 scc / min的100 ppmV H2O Ar气中的频率响应。底部：CBV100涂层的181号悬臂在990 mbar，29°C和39°C下暴露于100 ppmV H2O的氩气中。
4.结论
在这项研究中，我们展示了多参数气体监控系统的功能，该原型可以在实际压力和温度条件下以1％至2％的相对精度测量气体密度和粘度。同样，以在NIST Refprop数据库[19]的帮助下确定二元和三元气体混合物中的组分这意味着可以清楚地监视大多数常见的过程气体混合物，例如食品工业中的焊接保护气体或包装气体。
在进一步的步骤中，在单个感测平台中非功能化和功能化的谐振微悬臂梁的组合使得能够在非理想条件下，即在温度和压力波动的情况下，以ppm级监视湿度。已经按照可再现性，均质性，采购和放大标准定义了亲水性纳米多孔材料（即微孔Y型沸石和中孔MCM-48二氧化硅颗粒）的官能化方案。SCL-Sensor.Tech技巧上的所有涂层均使用非接触式压电点胶系统进行。 优化的功能化过程包括将PDDA作为阳离子聚电解质部署在顶表面上，以促进光束的均匀覆盖。
功能化悬臂在暴露于ppm水平的湿气时的机械响应表明，纳米多孔涂层上的水吸附不仅会导致光束有效质量发生变化，还会引起拉伸压缩应力。在提议的用于湿度监测的不同传感策略中，所谓的“无需事先脱气的瞬时响应”似乎更适合实际实施。 遵循此工作模式，谐振频率与ppmV范围内的水蒸气浓度有直接关系。
最重要的是，这些初步结果为进一步改进原型（测量室小型化，加热装置坚固性，SCL-Sensor.Tech顶表面的粗糙度）铺平了道路，并为其他测试和校准程序提供了指南。在这项研究中获得的知识支持了我们的多参数气体监测平台在实际工艺条件下用于监测合成焊接混合物的可行性。
推荐阅读：
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多参数气体监测系统（上）
多参数气体监测系统（中）
参考文献：
19. NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP): Version 10. Available
online: https://www.nist.gov/srd/refprop (accessed on 10 December 2019).
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21. Pina, M.P.; Almazán, F.; Eguizábal, A.; Pellejero, I.; Urbiztondo, M.; Sesé, J.; Santamaría, J.; García-Romeo, D.; Calvo, B.; Medrano, N. Explosives Detection by array of Si -cantilevers coated with titanosilicate type nanoporous materials. IEEE Sens. J. 2016, 16, 3435–3443. [CrossRef]
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