水資源是一切生命、生活、生產最重要的因素，是人賴以生存的基本條件。隨著工農業的發展，水污染情況日益嚴重，水質檢測技術研究一直是科技界科研的重要課題。水質檢測的核心技術是傳感器，目前，水質傳感器正向著微型化、集成化方向發展。MEMS傳感器由于其體積小、便于集成、穩定性好等特點被廣泛應用于水質檢測領域。本文采用電化學分析技術，結合微電極傳感器，實現p H、溶解氧和氨氮三種水質參數的測量。通過分析傳感器的集成化、微型化、納米材料電極表面修飾及檢測數據校正方法的發展現狀，剖析相關技術基礎上，采用MEMS技術設計出具有溫度補償功能的多參數微傳感器芯片，以及與傳感器芯片相適配的微流控測試腔體，實現各個傳感單元的獨立測試。另一方面，采用聚苯胺/無機物復合納米材料對傳感器敏感電極進行表面修飾，并表征分析了敏感材料的表面形貌。


采用修飾后的電極對三種參數分別進行了測量，結果表現出較高的靈敏度和較好的穩定性。運用多元線性回歸分析技術，對各個參數進行溫度校準，進一步提高了測量的準確度。構建PSO-LM-ANN模型對多參數同時測量選擇性變差問題進行數據校正處理，提高了測量精確度。在多參數傳感器芯片結構設計方面。在研究電化學擴散機理的基礎上，得出微電極相比于大電極具有更好的電化學擴散效應。因此，采用MEMS技術設計制備微電極傳感器芯片。從電極結構方面分析，采用ANSYS軟件對比分析了“方方型”和“圓環形”電極結構，仿真結果顯示，“圓環形”電極結構使溶液中具有較為均勻一致的電場強度及電流密度分布，使電極上的分析物能夠受到較為均勻一致的電催化作用?？紤]溫度對各種參數測量結果的影響，在傳感器芯片結構中設計了與微電極集成一體的微加熱器，采用ANSYS軟件對比分析了幾種加熱器結構，確定最優結構，最終設計出具有溫度補償功能的多參數傳感器電極陣列結構。


在傳感器電極表面修飾方面。傳感器電極表面修飾可以增大電極比表面積，增強電極導電性，不同的敏感膜對不同的水質參數有選擇性，從而可以進一步增強傳感器的檢測靈敏度。采用原位法合成導電高聚物PANI/無機物納米材料，修飾在傳感器電極表面，表征分析了敏感材料的表面形貌，其微觀形貌表現出高活性。通過測量p H、氨氮等參數，顯示出較高的敏感特性。在傳感器信號采集與測試方法方面。采用PMMA有機玻璃制備具有分流通道的小型化微流控測試腔，構成與傳感器芯片相匹配的測試容器，分流通道的腔體結構保證傳感器芯片的每個測試單元可以單獨工作，避免測試過程中溶液內部互相干擾。為實現傳感器信號采集，配置了與傳感器結構相匹配的恒電位儀。測試過程水質溶液的進液和出液采用蠕動泵控制，調節蠕動泵的運轉模式可充分實現液體勻速流動，實現傳感器的測試、清洗等。


在水質多參數測試方面。通過傳感器測試平臺，對水溫、p H、溶解氧和氨氮濃度等水質參數進行了測量。實驗結果表明，傳感器均表現出較高的靈敏度和較好的線性關系。根據測試環境溫度的實際情況，調控傳感器中的加熱器工作模式，實現溫度補償，保證傳感器工作在理想溫度范圍內。并將p H、溶解氧和氨氮三個參數分別與溫度和響應電流建立多元線性回歸方程，進一步提高傳感器的測量準確度。在水質多參數檢測數據校正處理方面。針對多參數同時測量時共存物質對催化反應的影響，導致多參數同時測量選擇性變差，測量準確度降低，提出一種PSO-LM-ANN數據校正方法對多參數檢測數據進行修正處理。將多組分同時測量時傳感器輸出的p H、溶解氧和氨氮濃度3個參數為網絡輸入，將p H、溶解氧和氨氮濃度的標準值作為3個輸出參數。運用Matlab對網絡模型進行優化設計，優化結果顯示當隱含層節點數為8，且網絡采用LevenbergMarquardt算法時網絡的預測精度最佳，同時引入PSO算法優化LM-ANN網絡的權值和閾值。


驗證結果表明，PSO-LM-ANN方法具有較好的數據校正效果，校正精度較高。研究結果表明，基于MEMS技術的具有溫度補償功能的多參數陣列傳感器芯片可實現p H、溶解氧、氨氮等參數的高精度測量，溫度補償效果較好。研制的PANI/Cu O納米復合材料用于電極表面修飾，可有效提高p H檢測的靈敏度，減小響應時間。PSO-LM-ANN模型對多組分同時測量時的檢測數據進行校正處理，實驗結果表明，利用該模型能夠得到精確度較高的校正結果。