[发明专利]碳纳米管薄膜电离式传感器及两组份气体浓度的检测方法

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及气体放电原理的电离式传感器及其阵列，以及在不分离两组份混合气体条件下直接检测两组份混合气体浓度的方法。

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电离式传感器，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电离式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电离式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电离式气体传感器(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CNTFA(carbon nanotube film anode)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；同时该传感器必须与色谱仪联用，用CNTFA替代传统的色谱仪中的气体探测器，采用色谱柱分离技术，来解决CNTFA对混合气体的识别与浓度测量问题；该传感器放电电压和放电电流都较大；而且无法实现CNTFA对单一气体与混合气体的测量。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，目前对敏感混合气体各组份的碳纳米管薄膜电离式传感器阵列及其不分离混合气体直接检测混合气体各组份浓度的方法的研究，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电离式传感器，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，建立本发明三个电极传感器收集极收集的离子流与两组份混合气体两个组份浓度、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，检测两组份混合气体灵敏度高。

本发明的另一目的，是提供一种基于碳纳米管薄膜电离式传感器阵列检测两组份混合气体浓度的方法，由不同极间距碳纳米管薄膜电离式传感器组成传感器阵列，分别测量待测两组份混合气体两个组份浓度、气体温度与湿度；该两组份混合气体浓度测量方法要求的硬件结构简单，采用数据融合算法，检测两组份混合气体准确度高。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

碳纳米管薄膜电离式传感器，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附着有分布着碳纳米管薄膜的金属膜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：

所述三个电极中相邻两个电极的极间距为30～250μm；所述第一电极与第二电极极板正对面积为0.01～170mm²，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，在电极内侧表面附着的金属膜基底上生长或者丝网印刷有碳纳米管薄膜；

所述第二电极引出极中心设有1～4个引出孔；