[发明专利]碳纳米管薄膜三电极氧气传感器及其浓度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感领域，特别是一种基于碳纳米管薄膜及气体放电原理的三电极氧气传感器及其测量氧气浓度的方法。

背景技术

随着各行各业气体检测的迫切需要以及纳米技术的发展，纳米传感器已获得长足的进展。尤其是随着20世纪末期碳纳米管的发现，碳纳米管在气体、温度、湿度检测领域展现出诱人的应用前景。碳纳米管气敏、温敏、湿敏传感器中的碳纳米管薄膜两电极传感器，以其检测灵敏度高、检测气体范围宽、响应快等优点，成为气体、温度、湿度检测领域的研究热点。碳纳米管薄膜两电极气敏传感器基于气体放电原理，克服了其它类型的碳纳米管气敏传感器在被测气体中饱和中毒的缺点，气体浓度测量范围及被测气体种类范围更宽。用碳纳米管作为敏感材料构成的气敏、温敏、湿敏传感器，具有常规传感器不可替代的优点：一是碳纳米管的比表面积大，在传感器整体尺寸较小的情况下，可大大提高电极的面积；二是基于碳纳米管纳米级的尖端曲率半径，使传感器工作电压极大降低，并在碳纳米管尖端附近获得极强的电场强度，在低电压下使被测气体电离；三是大大缩小了传感器的尺寸，动态响应快。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事、反恐等方面具有广泛的发展前途。

现有的碳纳米管薄膜两电极传感器包括由西安交通大学的刘君华、张勇、李昕、朱长纯教授等人在2001年的第14届IVMC国际真空微电子学国际会议公开的碳纳米管薄膜两电极气体传感器(图1所示)。该传感器工作之后由于极间放电后空间电荷难以扩散，传感器难以恢复到初始状态，并且传感器击穿电压、击穿电流与气体浓度之间呈现多值关系(图2，图3)，无法对气体浓度进行测量。美国伦斯勒工业学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的Nikhil Koratkar与Pulickel M Ajayan教授等人研制了碳纳米管薄膜阳极两电极气体传感器。该传感器击穿电压与气体浓度之间呈现非线性关系，击穿放电电流与气体浓度之间线性误差较大；放电电压和放电电流较大；无法实现碳纳米管薄膜阳极对单一气体的测量。浙江大学生物医学工程与仪器科学学院的惠国华、陈裕泉教授在120微米极间距的条件下对碳纳米管薄膜阴极两电极气体传感器进行了研制，研究了传感器在三种单一气体中的放电特性，由于灵敏度较低，没有构成测量浓度的气体传感器。

因此，目前对敏感各类单一气体包括氧气的碳纳米管薄膜电极传感器及其检测氧气浓度的方法的研究，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种碳纳米管薄膜三电极氧气传感器，将传统碳纳米管薄膜两电极传感器的输出电流分为电子流与离子流，建立本发明三电极氧气传感器收集极收集的离子流与氧气浓度、温度和湿度的单值对应关系，克服碳纳米管薄膜两电极传感器气敏特性及湿敏特性的多值非线性问题。该传感器结构简单，成本低，检测气体灵敏度高。

本发明的另一目的，是提供一种基于碳纳米管薄膜三电极氧气传感器测量氧气浓度的方法，由不同极间距碳纳米管薄膜三电极传感器组成传感器阵列分别测量待测氧气浓度、温度与湿度；该浓度测量方法要求的硬件结构简单，采用数据融合算法，检测气体准确度高。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

碳纳米管薄膜三电极氧气传感器，其特征在于：包括三个自上而下依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极由内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜的基底以及设有透气孔的电极构成；第二电极由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。

本发明的结构特征还在于：

所述三电极间的极间距为30～250μm；

所述第一电极与第二电极极板正对面积为0.01～17mm²，第二电极与第三电极极板正对面积为0.01～190mm²。

所述第一电极的电极表面的透气孔为1～4个，在电极内侧表面粘接的基底上附着有碳纳米管薄膜；

所述第二电极引出极中心设有1～4个透气孔；

所述第三电极收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1～4个。

本发明还给出了一种基于碳纳米管薄膜三电极氧气传感器测量氧气浓度的方法，该方法包括下述步骤：

(1)选择三个电极中相邻两个电极的极间距设定为30～250μm的碳纳米管薄膜三电极氧气传感器；

(2)分别将设定的三个不同极间距的碳纳米管薄膜三电极氧气传感器、碳纳米管薄膜三电极温度传感器和碳纳米管薄膜三电极湿度传感器放置在含有待测氧气的气氛中；