CN102081073A - 一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，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，第一电极设有透气孔，其内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜的基底；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。该传感器结构简单，尺寸小，成本低，检测气体灵敏度高，线性度好，准确度高，适合于推广使用。

Description

一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器

技术领域

本发明涉及微纳米传感器制造技术领域，特别是一种采用碳纳米管薄膜的、具有单值输入输出特性、对气体浓度、温度、湿度具有敏感特性的三电极传感器。

背景技术

随着工业生产和环境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NikhilKoratkar与Pulickel M Ajayan教授等人研制了碳纳米管薄膜阳极CNTFA(carbonnanotube 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CNT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。并研究了CNT薄膜阴极两电极传感器的温敏特性(图4)和湿敏特性(图5)，即空气中击穿电压与温度、湿度的关系。该两电极传感器在温度为10摄氏度时击穿电压高达360伏，温度为60摄氏度时击穿电压也在150伏以上；击穿电压与湿度具有多值非线性特性，没有构成碳纳米管薄膜两电极温度和湿度传感器。

因此，目前对各类气体敏感的碳纳米管薄膜电极气体、温度和湿度传感器的研制成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，将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，建立本发明三电极传感器收集极收集的离子流与气体浓度、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，适合于推广使用。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，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。

本发明进一步的特征在于：

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0.01～17mm²，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个引出孔。

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。

所述绝缘支柱分布于三个电极内端面两侧。

所述第一电极中设有透气孔的电极板面、第二电极和第三电极均采用硅片材料制作，第一电极中设有透气孔的电极和第三电极内侧面、第二电极的两侧面均设有金属膜。

所述透气孔以及引出孔为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。

所述盲孔为圆柱体、圆锥体、3～6棱柱或棱锥体。

本发明通过三个电极相互叠加构成能够检测气体、温度和湿度的传感器，在三个电极上施加不同的电压，控制电子流与离子流有效分离，获得与气体浓度、气体温度、湿度有单值关系的离子流的输出(图8、图9、图10所示)，构造成功三种新型碳纳米管薄膜三电极气体浓度、气体温度和湿度传感器。该新型传感器与已有的离子化探测器色谱仪中使用的三电极探测器相比，由于采用碳纳米管薄膜做电极，碳纳米管纳米级的尖端曲率半径将探测器工作电压，从色谱仪离子化探测器的600伏高压降至200伏以下的安全实用范围。本发明的新型传感器采用微机械加工工艺实现，尺寸小，结构简单，不需要和色谱仪相结合，可以单独构成三种新型碳纳米管薄膜三电极气体浓度、气体温度和湿度传感器。

附图说明

图1是现有技术碳纳米管薄膜阴极两电极传感器结构示意图。

图2是现有技术碳纳米管薄膜两电极气体传感器的击穿电压与气体浓度的多值非线性气敏特性。

图3是现有技术碳纳米管薄膜两电极气体传感器的击穿电流与气体浓度的非线性多值气敏特性。

图4是现有技术碳纳米管薄膜两电极温度传感器的击穿电压与温度的关系。

图5是现有技术碳纳米管薄膜两电极湿度传感器的多值非线性湿度敏感特性。

图6是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器结构示意图。

图7是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器立体结构侧视图。

图8是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的气体放电离子流与气体浓度的单值关系示意图。

图9是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的气体放电离子流与空气温度的单值关系示意图。

图10是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的气体放电离子流与湿度的单值关系示意图。

图中：1、第一电极；2、第二电极；3、第三电极；4、设有透气孔的电极；5、碳纳米管薄膜基底；6、碳纳米管薄膜；7、绝缘支柱。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图6、图7所示，该微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，包括由三个依次自上而下相互叠加的电极构成，该三个相互叠加电极分别设有第一电极1、第二电极2和第三电极3，所述第一电极1由内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜6的基底5以及设有透气孔的电极4构成；第二电极2由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极3由电极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7相互隔离。三个电极中相邻两个电极的间距均为100μm；第一电极1与第二电极2极板正对面积为17mm²，第二电极2与第三电极3极板正对面积为190mm²。

图6所示的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器实施例中，第一电极1的电极表面的透气孔有2个，透气孔为圆形；在该透气孔的一侧表面粘接有碳纳米管薄膜基底5，其上分布有碳纳米管薄膜6，且该碳纳米管管口向下。第二电极2中心设有1～4个引出孔，图6、图7中给出了设置一个引出孔、且引出孔为圆形的实施例。第三电极3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，图6、图7中给出了设置一个盲孔、且盲孔为圆柱体结构的实施例。绝缘支柱7分别设置在碳纳米管薄膜基底5与第二电极2之间、第二电极2与第三电极3之间，即绝缘支柱7分布于第二电极2正对第一电极1的碳纳米管薄膜基底两端的表面两侧及第三电极3的内侧表面的两侧。

本发明设有透气孔的电极4板面、碳纳米管薄膜基底5均采用硅片材料制作；所述碳纳米管薄膜6，可采用酞菁铁做为催化剂，并采用碳源，在基底5上生长制作碳纳米管薄膜6，或者丝网印刷碳纳米管薄膜6。第二电极2和第三电极3均采用硅片制作。第一电极中设有透气孔的电极4和第三电极3内侧面、第二电极2的两侧面均设有金属膜。

本发明第一电极1中的电极上若干透气孔，便于待检测气体进入电极间隙；碳纳米管薄膜基底具有导电能力，并牢固附着在第一电极一侧表面；第二电极2上设有引出孔；第三电极3收集极可收集气体电离产生的正离子流。第一电极1与第二电极2之间、第二电极2与第三电极3之间通过绝缘支柱7相互隔离；被测气体通过传感器周边电极间的间隙进入传感器相邻两个电极的间隙中。

本发明的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，通过控制加在第一电极1和第二电极2上的电压，可使第一电极1和第二电极2之间的气体产生放电；通过控制加在第二电极2及第三电极3上的电压，可将第一电极1与第二电极2间产生的电子与离子分离开。电子形成的电子流由第二电极2流回第一电极1，离子形成的离子流由第三电极3引出，流回第一电极1。本发明的三电极结构传感器，通过第三电极3引出离子流，可大大减小第一电极1与第二电极2间气体放电的不稳定因素，获得与浓度具有单值关系的离子流(图8所示)以及分别与气体温度、湿度具有单值关系的离子流(图9、图10所示)。

本发明控制第二电极2电位高于第一电极1，第三电极3电位低于第二电极2并高于第一电极1。控制第二电极2与第一电极1形成电子流回路，控制第三电极3与第一电极1形成离子流回路，实现将电子流与离子流分离。第一电极1在外加电压作用下，在碳纳米管薄膜的碳纳米管尖端附近产生很强的电场，使第一电极1与第二电极2之间的间隙中的被测气体在较低电压下电离。第一电极1与第二电极2间的带电正离子，在第二电极2与第三电极3极间电场的作用下，向第三电极3运动形成正离子电流。微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的离子流与气体浓度、气体温度、湿度之间，在第二电极2施加一定电压的基础上，呈现单值关系(图8、图9、图10所示)，可构成可实用的气体、气体温度、湿度传感器。非自持放电电压、非自持放电暗电流与传感器电极极间距是微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的特征参量。

实施例2

本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的三个电极中相邻两个电极的极间距均为30μm；第一电极1与第二电极2极板正对面积为0.01mm²，第二电极2与第三电极3极板正对面积为0.01mm²。

第一电极1的电极表面的透气孔有1个，透气孔为三角形；第二电极2中心引出孔为4个，引出孔为三角形；第三电极3盲孔的数量为4个，盲孔为圆锥体。

实施例3

本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的三个电极中相邻两个电极的极间距均为250μm，第一电极1与第二电极2极板正对面积为10mm²，第二电极2与第三电极3极板正对面积为120mm²。

第一电极1的电极表面的透气孔有4个，透气孔为四边形、五边形或六边形；第二电极2中心引出孔为2个，引出孔为四边形、五边形或六边形；第三电极3盲孔的数量为2个，盲孔为3～6棱柱或棱锥体。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但上述实施例并不用于限定本发明。在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和结构范围的情况下，对技术特征所作的增加、变形或以本领域同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，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。

2.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：所述三个电极中相邻两个电极间的极间距为30～250μm。

3.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：所述第二电极引出极中心设有1～4个引出孔。

6.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：所述绝缘支柱分布于三个电极内端面两侧。

8.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：所述第一电极中设有透气孔的电极板面、第二电极和第三电极均采用硅片材料制作，第一电极中设有透气孔的电极和第三电极内侧面、第二电极的两侧面均设有金属膜。

9.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：所述透气孔以及引出孔为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。

10.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于：所述盲孔为圆柱体、圆锥体、3～6棱柱或棱锥体。

Images