CN101281154A - 基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器及其制备方法。在碳纳米管阵列的上下两端分别置有一块平板电极构成电容式气体传感器结构，通过化学气相沉积的方法在阳极氧化铝模板中制备的碳纳米管阵列作为两平板电极的支撑结构，使得两块平板电极之间具有微米级的间距，流过电容传感器两平板电极间气体介电常数的变化由传感器的电容变化量反映出来，可以据此判断被测气体的种类。本发明克服了现有气体传感器的不足之处，有效缩短了电容传感器两平板间距，提高了传感器对气体检测的灵敏度。

Description

基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器及其制备方法

所属领域

本发明涉及气体检测领域和纳米传感器领域，特别是涉及基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器及其制备方法。

背景技术

气体传感器有很多类型，如氧化物半导体气体传感器、固态电解质气体传感器、电化学气体传感器、金属栅MOS气体传感器、声表面波气体传感器、红外气体传感器等，其中有一种电容式气体传感器已有很多文献报道。

电容传感器作为位移传感器被广泛应用，已有多项国家专利技术，如2005年9月20日美国专利局公告的美国专利US6946851B2。电容传感器用于气体传感器的研究比较少，2005年12月28日中国专利局公告的中国专利CN1234007C介绍了一种纳米分子筛修饰的电容式气体传感器，采用纳米分子筛修饰的纸质纤维膜作为电容传感器的电介质，这种传感器平板电极间距较大，在毫米量级，因此电容值较小，对气体介电常数的变化灵敏度较低。由平板电容公式C＝εS/d(C代表电容值，ε代表介电常数，S代表平板面积，d代表两平板间距)可知，在介电常数ε不变的情况下，d间距越小，则单位面积的电容值越大，则电容传感器就越灵敏，所以，缩小电容传感器平板电极的间距可以提高传感器的灵敏度。

阳极氧化铝模板的制备技术和采用化学气相沉积的方法在阳极氧化铝模板中制备碳纳米管的方法是纳米材料领域的研究热点，也是相对较成熟的技术。在阳极氧化铝模板中制备的碳纳米管会沿着氧化铝模板孔的内壁生长，碳纳米管的高度与氧化铝模板的厚度相同，因为利用阳极氧化方法制备的氧化铝模板的厚度一般在微米量级，所以本发明的电容式气体传感器两平板电极之间的间距也是微米量级的。

发明内容

本发明要解决的技术问题即本发明目的是：克服现有气体传感器的不足之处，采用碳纳米管和空气作为电介质，延长了传感器的使用寿命，采用纳米技术制备出具有微米级间距的平板电容式气体传感器，有效缩短了电容传感器两平板间距，提高了传感器对气体检测的灵敏度。

本发明的技术方案是：一种基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器，包括两极板及其之间的介质，特别是：

两极板为具有微米级间距的上下两块平板电极，电介质为碳纳米管和空气，所述碳纳米管的管径为10～200nm、管壁厚为1～50nm、管长为1～20μm，碳纳米管为碳纳米管阵列，在碳纳米管阵列的上下两端分别置有一块平板电极构成基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器结构；

检测气体时，将基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器的上下两块平板电极与电容测试仪的两电极电连接，流过两平板电极间气体介电常数的变化由电容测试仪上的电容变化量反映出来，据此判断被测气体的种类；

一种基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器的用途，包括对气体的测量，特别是：氨气，或是氮氧化物，或是挥发性有机气体(包括甲酸、乙酸、丙酮和乙醇)，或是纳米颗粒物，或是毒品，或是爆炸物。

一种基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器的制备方法，包括化学气相沉积方法和二次氧化法，其制备方法是按以下步骤完成的：

首先采用阳极氧化法制备氧化铝模板，然后采用化学气相沉积的方法在氧化铝模板中制备碳纳米管阵列，再在碳纳米管阵列的上下两端分别粘接一块平板电极，最后采用化学腐蚀的方法除掉氧化铝模板。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

其一，现有技术的电容式气体传感器采用纸质纤维膜或高分子膜作为电介质，使用寿命受到限制，本发明电容式气体传感器的电介质为碳纳米管和空气，使得基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器具有较长的使用寿命。

碳纳米管的管径为10～200nm、管壁厚为1～50nm、管长为1～20μm碳纳米管为碳纳米管阵列，由于碳纳米管相互间的间距大，碳纳米管阵列中有很多间隙，加上碳元素的吸附能力，能够使被测气体充分接触，便于电容测试仪准确检测不同的气体。

其二，现有的电容式气体传感器平板电极间距较大，一般在毫米量级甚至更大，导致单位面积传感器的电容值较小，灵敏度较低。此外，电极间距较大也会导致在检测过程中，被测气体进入电容两极板间之后到达电极板表面需要移动的距离增大，这样会降低被测气体被检测的几率，降低传感器的灵敏度。本发明中，在碳纳米管阵列的上下两端分别置有一块平板电极构成电容式气体传感器结构，采用纳米技术制备的微米级间距的平板电极，有效缩短了电容式气体传感器两平板电极间距，提高了电容式气体传感器对气体检测的灵敏度。

附图说明

图1是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器结构示意图。

图2是碳纳米管阵列的扫描电镜照片。

图3是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对氨气的响应曲线。

图4是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对甲酸的响应曲线。

图5是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对乙酸的响应曲线。

图6是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对不同浓度氨气的响应曲线。

图7是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器的制作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步解释。

在图1中：1是碳纳米管阵列，2是传感器的平板电极。传感器的电容变化量反映出流过电容式气体传感器两平板电极间气体介电常数的变化，因为不同气体的介电常数不同，引起的电容变化量也不同，所以，通过电容测试仪检测电容式气体传感器的电容变化量可以判断被测气体的种类。

图2是碳纳米管阵列的扫描电镜照片，图2中的碳纳米管阵列是采用化学气相沉积法在阳极氧化铝模板中制备的，可作为电容式气体传感器的支撑，从图2中可以看到碳纳米管的平均直径为60nm左右，取向一致。

图3是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对30ppm氨气的响应曲线，图4是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对30ppm甲酸的响应曲线，图5是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对30ppm乙酸的响应曲线。从三幅图中可以看出基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对相同浓度的氨气、甲酸和乙酸的响应曲线是不同的，从响应时间、恢复时间和增加幅值上都存在差异，依此可判断气体的种类。

图6是基于碳纳米管阵列电容式气体传感器对不同浓度氨气的响应曲线，见实施例2。

图7是制作基于碳纳米管阵列电容式气体传感器的方法流程图，图6的方法流程是：

开始(步骤100)，采用二次阳极氧化方法将铝片制备成阳极氧化铝模板(步骤110)；然后，采用CVD方法在阳极氧化铝模板中制备沉积的碳纳米管阵列(步骤120)，再将在碳纳米管阵列的上下两端粘接一块平板电极(步骤130)；最后，采用化学腐蚀的方法除掉氧化铝模板(步骤140)，制作过程结束(步骤150)，得到碳纳米管阵列作为支撑的电容式气体传感器。

实施例1

采用二次氧化方法制备氧化铝模板，其制备过程如下：将铝片用有机溶剂清洗完毕后在氮气中保持500℃下退火4个小时，自然冷却。将退火后的铝片用丙酮超声清洗，在抛光液(无水乙醇与高氯酸的体积比为9∶1)中通电抛光。对抛光好的铝片进行一次阳极氧化，电解液为0.3M的草酸溶液，一次氧化层用磷酸(6wt％)和铬酸(1.8wt％)混合酸溶液除去，然后在与一次阳极氧化条件相同的条件下进行二次阳极氧化。二次氧化后，利用饱和四氯化锡溶液除去背面的铝，再用磷酸进行扩孔处理。最后对其清洗干燥即可得到所需的多孔氧化铝模板。

碳纳米管阵列的制备过程如下：将通过二次阳极氧化制得的氧化铝模板放入石英舟，置于放在管壁炉中的石英管中。首先通入氮气以排出管中的空气以及其它残余气体，然后加热至600℃，待温度稳定后通入乙炔，乙炔与氮气的体积流量比为10∶100，通入乙炔的时间为40分钟。反应结束后退火处理，退火的时间为10小时。然后在氮气保护下自然冷却至室温。将沉积过的碳纳米管的模板在350℃下空气气氛中加热1个小时，以除去表面的无定形碳。

利用氢氧化钠溶液溶解上下表面的部分氧化铝层，然后在上下表面各蒸一层金作为平板电极或在上下表面采用金浆将金属电极粘接在碳纳米管阵列上作为平板电极，然后将整个器件浸泡在氢氧化钠溶液中除掉氧化铝，即得到了基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器。

实施例2

采用基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器对氨气进行测试，将电容式气体传感器置于1升容器中，利用注射器向测试箱中注入一定体积的氨气。当电容式气体传感器对氨气的响应达到最大值之后，将测试箱中的气体排空，然后再注入不同体积的氨气，经过反复测试，得到了图6所示的电容式气体传感器对不同测试体积氨气的电容变化量曲线。从图6中可以看出，基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器具有较高的灵敏度，对0.1ml的氨气(大约1ppm)仍然有很好的响应。

Claims (3)

1、一种基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器，包括两极板及其之间的介质，其特征在于：

所述两极板为具有微米级间距的上下两块平板电极(2)，所述介质为碳纳米管和空气，所述碳纳米管的管径为10～200nm、管壁厚为1～50nm、管长为1～20μm，所述碳纳米管为碳纳米管阵列(1)，在碳纳米管阵列(1)的上下两端分别置有一块平板电极(2)构成基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器结构；

检测气体时，将所述基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器的上下两块平板电极(2)与电容测试仪的两电极电连接，流过所述两平板电极(2)间气体介电常数的变化由电容测试仪上的电容变化量反映出来，据此判断被测气体的种类。

2、一种如权利要求1所述的一种基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器的用途，包括对气体的测量，其特征在于：用于测量的气体是氨气、甲酸、乙酸，或是丙酮、乙醇，或是氮氧化物，或是纳米颗粒物，或是毒品，或是爆炸物。

3、一种如权利要求1所述的一种基于碳纳米管阵列的电容式气体传感器的制备方法，包括化学气相沉积方法和二次氧化法，其特征在于：所述制备方法是按以下步骤完成的：

采用阳极氧化法制备氧化铝模板(3)，然后采用化学气相沉积的方法在氧化铝模板中制备碳纳米管阵列(1)，再在碳纳米管阵列的上下两端分别粘接一块平板电极(2)，最后采用化学腐蚀的方法除掉氧化铝模板(3)。

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