[发明专利]一种金纳米孔薄膜电离式一氧化碳传感器

说明书

本发明公开了一种金纳米孔薄膜电离式一氧化碳传感器，包括三个自下而上依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极由内表面附着有分布着蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜的金属膜基底及设有小透气孔的电极构成；第二电极由中心设有小引出孔的引出极构成；第三电极由板面设有小槽的收集极构成；三电极分别通过绝缘支柱相互隔离；小透气孔的孔径为0.8～5mm、小引出孔的孔径为1.2～7mm，小槽的边长和槽深分别为1.2×1.2～7×9mm和50～220μm；三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和小槽的边长和槽深设定。该金纳米孔薄膜电离式一氧化碳传感器根据电流大小检测气体浓度，工作电压小，收集极电流大，灵敏度高，可检测氮气背景气体中的一氧化碳气体。

技术领域

本发明涉及气体传感领域，特别是一种金纳米孔薄膜及气体放电原理的电离式一氧化碳传感器。

背景技术

电力系统作为整个国民经济的基础，其安全、可靠运行对社会发展和人民生活意义重大。而变压器作为电网的重要组成部分，其安全运行状态自然备受关注。一氧化碳气体作为变压器油中主要故障特征气体，其检测对预测变压器的潜伏性故障和智能电网的安全运行具有重要意义。目前达到实用化水准的一氧化碳传感器主要分为金属氧化物半导体型、电化学固体电解质型和电化学固体高分子电解质型等三种类型。其它，如触媒燃烧型、场效应晶体管型及石英晶体谐振型等则使用较少。金属氧化物半导体型一氧化碳传感器有输出信号与气体体积分数为非线性关系、不适宜用在高体积分数气体检测的情况下、选择性不佳等等缺点；固体电解质型一氧化碳传感器则易被污染而老化；固体高分子电解质型一氧化碳传感器体积较大、易受污染；触媒燃烧型一氧化碳传感器选择性差、易被污染而老化、受风速影响大。由于这些传感器检测精度低、选择性差等缺点，使得这些一氧化碳传感器目前不能满足实用需求。

电离式传感器主要分为两电极和三电极结构，两电极传感器在大浓度范围内具有多值非线性的敏感特性，难以构成可实用的传感器。针对两电极传感器多值不能实用的瓶颈，西安交通大学张勇等研制出碳纳米管三电极传感器(图1所示)。这个碳纳米管三电极传感器阴极有2个直径为4mm的圆孔，引出极有1个直径为6mm的圆孔，收集极有一个边长为6×8mm、200μm深的槽。这个碳纳米管三电极传感器通过控制电极间距和电极电压，产生两个方向不同的电场，通过引出极与阴极之间的反向电场引出了放电空间的部分正离子，减少了对阴极碳管的轰击。2013年，西安交通大学的蔡胜兵等人制作的电离式碳纳米管气体传感器在0～200ppm的小量程范围内对一氧化碳气体的气体放电特性进行了研究，得到了单值敏感特性(图2)，输出电流随浓度的增加而增加。尽管获得了单值敏感特性，但是该传感器对一氧化碳气体的测量具有量程小的问题，限制了应用。

本课题组之前不断改进三电极电离式碳纳米管结构，并利用三电极电离式碳纳米管传感器对变压器其他的故障特征气体进行了研究，并未对一氧化碳气体进行研究。而课题组的杨爽研制了最优结构的三电极电离式镀金碳纳米管传感器(图3)，该三电极电离式镀金碳纳米管传感器阴极有2个直径为5mm的半圆孔，引出极有6个直径为2mm的圆孔。使用这个最优结构的三电极电离式镀金碳纳米管传感器对一氧化碳气体的气体放电特性进行了研究，得到了一氧化碳气体的气体浓度和收集极电流具有单值敏感特性(图4)，输出电流随浓度的增加而减小。但是传感器灵敏度低，并不够理想。为了进一步提高传感器的实用性能，提高其灵敏度，还需对传感器结构进行优化。

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种金纳米孔薄膜电离式一氧化碳传感器，对现有技术碳纳米管薄膜电离式一氧化碳传感器进行进一步的改进，本发明采用了金属纳米多孔材料代替碳纳米管薄膜，金属纳米多孔材料不但具有大的内表面积、高孔隙率和较均匀的纳米孔，而且具有金属材料的抗腐蚀、高导电率、高导热率、抗疲劳等优异的性能。引出极设有小引出孔，将现有三电极传感器反向电场范围增大，提高正离子引出数量，从而提高引出的离子流；降低了传感器工作电压，提高了传感器灵敏度。获得本发明电离式一氧化碳传感器收集电流与单一气体一氧化碳浓度单值对应关系。该传感器结构简单、体积小、灵敏度高、成本合理。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。