[發(fā)明專利]碳納米管薄膜三電極乙烯傳感器及其濃度測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110039230.5
• 申請日: 2011-02-16
• 公開（公告）號: CN102095787A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張勇;張晶園;王進(jìn);姜為華;宋曉慧;方靜;王影花;張建業(yè);牛國平;王曉冰;李昕;唐建文;劉君華
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01N27/64
• 分類號: G01N27/64;G01K7/40
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 汪人和

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體傳感領(lǐng)域，特別是一種基于碳納米管薄膜及氣體放電原理的三電極乙烯傳感器及其測量乙烯濃度的方法。

背景技術(shù)

隨著各行各業(yè)氣體檢測的迫切需要以及納米技術(shù)的發(fā)展，納米傳感器已獲得長足的進(jìn)展。尤其是隨著20世紀(jì)末期碳納米管的發(fā)現(xiàn)，碳納米管在氣體、溫度、濕度檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。碳納米管氣敏、溫敏、濕敏傳感器中的碳納米管薄膜兩電極傳感器，以其檢測靈敏度高、檢測氣體范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，成為氣體、溫度、濕度檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。碳納米管薄膜兩電極氣敏傳感器基于氣體放電原理，克服了其它類型的碳納米管氣敏傳感器在被測氣體中飽和中毒的缺點(diǎn)，氣體濃度測量范圍及被測氣體種類范圍更寬。用碳納米管作為敏感材料構(gòu)成的氣敏、溫敏、濕敏傳感器，具有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn)：一是碳納米管的比表面積大，在傳感器整體尺寸較小的情況下，可大大提高電極的面積；二是基于碳納米管納米級的尖端曲率半徑，使傳感器工作電壓極大降低，并在碳納米管尖端附近獲得極強(qiáng)的電場強(qiáng)度，在低電壓下使被測氣體電離；三是大大縮小了傳感器的尺寸，動態(tài)響應(yīng)快。因此，它在生物、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事、反恐等方面具有廣泛的發(fā)展前途。

現(xiàn)有的碳納米管薄膜兩電極傳感器包括由西安交通大學(xué)的劉君華、張勇、李昕、朱長純教授等人在2001年的第14屆IVMC國際真空微電子學(xué)國際會議公開的碳納米管薄膜兩電極氣體傳感器(圖1所示)。該傳感器工作之后由于極間放電后空間電荷難以擴(kuò)散，傳感器難以恢復(fù)到初始狀態(tài)，并且傳感器擊穿電壓、擊穿電流與氣體濃度之間呈現(xiàn)多值關(guān)系(圖2，圖3)，無法對氣體濃度進(jìn)行測量。美國倫斯勒工業(yè)學(xué)院(Rensselaer?Polytechnic?Institute)的Nikhil?Koratkar與Pulickel?M?Ajayan教授等人研制了碳納米管薄膜陽極兩電極氣體傳感器。該傳感器擊穿電壓與氣體濃度之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，擊穿放電電流與氣體濃度之間線性誤差較大；放電電壓和放電電流較大；無法實(shí)現(xiàn)碳納米管薄膜陽極對單一氣體的測量。浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院的惠國華、陳裕泉教授在120微米極間距的條件下對碳納米管薄膜陰極兩電極氣體傳感器進(jìn)行了研制，研究了傳感器在三種單一氣體中的放電特性，由于靈敏度較低，沒有構(gòu)成測量濃度的氣體傳感器。

因此，目前對敏感各類單一氣體包括乙烯的碳納米管薄膜電極傳感器及其檢測乙烯氣體濃度的方法的研究，成為亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一，是提供一種碳納米管薄膜三電極乙烯傳感器，將傳統(tǒng)碳納米管薄膜兩電極傳感器的輸出電流分為電子流與離子流，建立本發(fā)明三電極乙烯傳感器收集極收集的離子流與乙烯濃度、溫度、濕度的單值對應(yīng)關(guān)系，克服碳納米管薄膜兩電極傳感器氣敏特性及濕敏特性的多值非線性問題。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，檢測氣體靈敏度高。

本發(fā)明的另一目的，是提供一種基于碳納米管薄膜三電極乙烯傳感器測量乙烯濃度的方法，由不同極間距碳納米管薄膜三電極傳感器組成傳感器陣列分別測量待測乙烯濃度、溫度與濕度；該濃度測量方法要求的硬件結(jié)構(gòu)簡單，采用數(shù)據(jù)融合算法，檢測氣體準(zhǔn)確度高。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

碳納米管薄膜三電極乙烯傳感器，其特征在于：包括三個(gè)自上而下依次分布的第一電極、第二電極和第三電極，所述第一電極由內(nèi)表面粘接有分布著碳納米管薄膜的基底以及設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極由板面設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱相互隔離。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征還在于：

所述三電極間的極間距為30～250μm；

所述第一電極與第二電極極板正對面積為0.01～17mm²，第二電極與第三電極極板正對面積為0.01～190mm²。

所述第一電極的電極表面的透氣孔為1～4個(gè)，在電極內(nèi)側(cè)表面粘接的基底上附著有碳納米管薄膜；

所述第二電極引出極中心設(shè)有1～4個(gè)透氣孔；

所述第三電極收集極盲孔與第二電極的引出孔相對應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1～4個(gè)。

本發(fā)明還給出了一種基于碳納米管薄膜三電極乙烯傳感器測量乙烯濃度的方法，該方法包括下述步驟：

(1)選擇三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距設(shè)定為30～250μm的碳納米管薄膜三電極乙烯傳感器；

(2)分別將設(shè)定的三個(gè)不同極間距的碳納米管薄膜三電極乙烯傳感器、碳納米管薄膜三電極溫度傳感器和碳納米管薄膜三電極濕度傳感器放置在含有待測乙烯的氣氛中；