[發明專利]碳納米管薄膜電離式傳感器陣列及混合氣體濃度檢測方法

無效

• 申請號: 201110039976.6
• 申請日: 2011-02-16
• 公開（公告）號: CN102095790A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發明（設計）人: 張勇;王影花;宋曉慧;張晶園;姜為華;方靜;王進;張建業;牛國平;王曉冰;李昕;唐建文;劉君華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 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任公司 61200
• 代理人: 汪人和

技術領域

本發明涉及氣體傳感領域，特別是一種基于碳納米管及氣體放電原理的電離式傳感器及其陣列，以及在不分離混合氣體條件下直接檢測混合氣體濃度的方法。

背景技術

隨著各行各業氣體檢測的迫切需要以及納米技術的發展，納米傳感器已獲得長足的進展。尤其是隨著20世紀末期碳納米管的發現，碳納米管在氣體、溫度、濕度檢測領域展現出誘人的應用前景。碳納米管氣敏、溫敏、濕敏傳感器中的碳納米管薄膜兩電極電離式傳感器，以其檢測靈敏度高、檢測氣體范圍寬、響應快等優點，成為氣體、溫度、濕度檢測領域的研究熱點。碳納米管薄膜兩電極電離式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，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成的氣敏、溫敏、濕敏傳感器，具有常規傳感器不可替代的優點：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的電場強度，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，動態響應快。因此，它在生物、化學、機械、航空、軍事、反恐等方面具有廣泛的發展前途。

現有的碳納米管薄膜兩電極電離式傳感器包括由西安交通大學的劉君華、張勇、李昕、朱長純教授等人在2001年的第14屆IVMC國際真空微電子學國際會議公開的碳納米管薄膜兩電極電離式氣體傳感器(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散，傳感器難以恢復到初始狀態，并且傳感器擊穿電壓、擊穿電流與氣體濃度之間呈現多值關系(圖2，圖3)，無法對氣體濃度進行測量。美國倫斯勒工業學院(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CNTFA(carbon?nanotube?film?anode)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非線性關系，擊穿放電電流與氣體濃度之間線性誤差較大；同時該傳感器必須與色譜儀聯用，用CNTFA替代傳統的色譜儀中的氣體探測器，采用色譜柱分離技術，來解決CNTFA對混合氣體的識別與濃度測量問題；該傳感器放電電壓和放電電流都較大；而且無法實現CNTFA對單一氣體與混合氣體的測量。浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院的惠國華、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，沒有構成測量濃度的氣體傳感器。

因此，目前對敏感混合氣體各組份的碳納米管薄膜電離式傳感器陣列及其不分離混合氣體直接檢測混合氣體各組份濃度的方法的研究，成為亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的之一，是提供一種碳納米管薄膜電離式傳感器，將傳統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，建立本發明碳納米管薄膜電離式傳感器收集極收集的離子流與混合氣體各組份濃度、溫度和濕度的單值對應關系，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。該傳感器結構簡單，成本低，檢測氣體靈敏度高。

本發明的另一目的，是提供一種基于碳納米管薄膜電離式傳感器陣列檢測混合氣體濃度的方法，由不同極間距碳納米管薄膜電離式傳感器組成傳感器陣列分別測量待測混合氣體各組份濃度、氣體溫度與濕度；該混合氣體濃度測量方法要求的硬件結構簡單，能測量任何混合氣體，采用數據融合算法，檢測混合氣體準確度高。

本發明的目的是通過下述技術方案來實現的。

碳納米管薄膜電離式傳感器，其特征在于：包括三個自上而下依次分布的第一電極、第二電極和第三電極，所述第一電極由內表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底以及設有透氣孔的電極構成；第二電極由中心設有引出孔的引出極極板構成；第三電極由板面設有盲孔的收集極構成；該三個電極分別通過絕緣支柱相互隔離。

本發明的結構特征還在于：

所述三個電極中相鄰兩個電極的極間距為30～250μm；所述第一電極與第二電極極板正對面積為0.01～170mm²，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，在電極內側表面附著的金屬膜基底上生長或者絲網印刷有碳納米管薄膜；

所述第二電極引出極中心設有1～4個引出孔；