水資源是一切生命、生活、生產(chǎn)最重要的因素，是人賴以生存的基本條件。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水污染情況日益嚴重，水質(zhì)檢測技術(shù)研究一直是科技界科研的重要課題。水質(zhì)檢測的核心技術(shù)是傳感器，目前，水質(zhì)傳感器正向著微型化、集成化方向發(fā)展。MEMS傳感器由于其體積小、便于集成、穩(wěn)定性好等特點被廣泛應用于水質(zhì)檢測領域。本文采用電化學分析技術(shù)，結(jié)合微電極傳感器，實現(xiàn)p H、溶解氧和氨氮三種水質(zhì)參數(shù)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(shù)據(jù)校正方法的發(fā)展現(xiàn)狀，剖析相關技術(shù)基礎上，采用MEMS技術(shù)設計出具有溫度補償功能的多參數(shù)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(xiàn)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(shù)分別進行了測量，結(jié)果表現(xiàn)出較高的靈敏度和較好的穩(wěn)定性。運用多元線性回歸分析技術(shù)，對各個參數(shù)進行溫度校準，進一步提高了測量的準確度。構(gòu)建PSO-LM-ANN模型對多參數(shù)同時測量選擇性變差問題進行數(shù)據(jù)校正處理，提高了測量精確度。在多參數(shù)傳感器芯片結(jié)構(gòu)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(shù)設計制備微電極傳感器芯片。從電極結(jié)構(gòu)方面分析，采用ANSYS軟件對比分析了“方方型”和“圓環(huán)形”電極結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果顯示，“圓環(huán)形”電極結(jié)構(gòu)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。考慮溫度對各種參數(shù)測量結(jié)果的影響，在傳感器芯片結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)，最終設計出具有溫度補償功能的多參數(shù)傳感器電極陣列結(jié)構(gòu)。

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(zhì)參數(shù)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(xiàn)出高活性。通過測量p H、氨氮等參數(shù)，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(gòu)成與傳感器芯片相匹配的測試容器，分流通道的腔體結(jié)構(gòu)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(nèi)部互相干擾。為實現(xiàn)傳感器信號采集，配置了與傳感器結(jié)構(gòu)相匹配的恒電位儀。測試過程水質(zhì)溶液的進液和出液采用蠕動泵控制，調(diào)節(jié)蠕動泵的運轉(zhuǎn)模式可充分實現(xiàn)液體勻速流動，實現(xiàn)傳感器的測試、清洗等。

在水質(zhì)多參數(shù)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(zhì)參數(shù)進行了測量。實驗結(jié)果表明，傳感器均表現(xiàn)出較高的靈敏度和較好的線性關系。根據(jù)測試環(huán)境溫度的實際情況，調(diào)控傳感器中的加熱器工作模式，實現(xiàn)溫度補償，保證傳感器工作在理想溫度范圍內(nèi)。并將p H、溶解氧和氨氮三個參數(shù)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(zhì)多參數(shù)檢測數(shù)據(jù)校正處理方面。針對多參數(shù)同時測量時共存物質(zhì)對催化反應的影響，導致多參數(shù)同時測量選擇性變差，測量準確度降低，提出一種PSO-LM-ANN數(shù)據(jù)校正方法對多參數(shù)檢測數(shù)據(jù)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(shù)為網(wǎng)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(shù)。運用Matlab對網(wǎng)絡模型進行優(yōu)化設計，優(yōu)化結(jié)果顯示當隱含層節(jié)點數(shù)為8，且網(wǎng)絡采用LevenbergMarquardt算法時網(wǎng)絡的預測精度最佳，同時引入PSO算法優(yōu)化LM-ANN網(wǎng)絡的權(quán)值和閾值。

驗證結(jié)果表明，PSO-LM-ANN方法具有較好的數(shù)據(jù)校正效果，校正精度較高。研究結(jié)果表明，基于MEMS技術(shù)的具有溫度補償功能的多參數(shù)陣列傳感器芯片可實現(xiàn)p H、溶解氧、氨氮等參數(shù)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(shù)據(jù)進行校正處理，實驗結(jié)果表明，利用該模型能夠得到精確度較高的校正結(jié)果。