CN106250632B - 一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，包括1)根据传感器尺寸、电极极间距、电极厚度、透气孔孔径和数量、引出孔孔径和数量、盲孔尺寸和数量，及模型尺寸单位，基于流体模型，建立传感器场域的二维轴对称模型；2)建立流体模型中的质量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程；3)设定温度、大气压力和加载电压等初始条件，添加气体电离的反应式及其反应速率以及电极边界反应式；4)对传感器场域模型进行剖分，对碳纳米管和边界进行细刨分；设置传感器输出稳定时的时间范围，并设定时间步长；5)计算传感器的稳态输出电流密度，选择电流密度最大的结构作为最优结构。本发明为设计合理的电离式传感器提供有效的方法。

Description

一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法

技术领域

本发明涉及气体传感领域，特别是一种能够用于传感器的结构设计，使传感器性能达到最优的三电极电离式碳纳米管气体传感器结构优化方法。

背景技术

目前，电离式碳纳米管气体传感器在气体检测领域展现出的诸多优点，引起了人们的广泛关注。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)，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；探索发现了传感器单值敏感特性的阈值场强及其关键技术。但碳纳米管三电极传感器存在输出响应小，灵敏度低的问题。

近年来，许多国内外学者和专家提出了采用静电场仿真方法和低温等离子体仿真方法，用于传感器结构和传感器内部粒子的运动分析。2006年，西安交通大学张勇等通过对5种两电极电离式传感器结构(图2(a)-(e))静电场的仿真，确定了最优化结构的传感器。但是，该研究只对静电场进行了仿真分析，不能满足实验需求，且仿真模型没有按照传感器的实际尺寸比例建立，只是近似处理，因此仿真结果存在一定的偏差。目前，对低温等离子体的仿真分析方法有动力学模型(PIC)、流体模型、混合模型。PIC能够给出电子能量分布函数，可较精确地描述非平衡等离子体。流体模型计算量较小，速度较快。混合模型是PIC方法和流体模型的结合，能够获得较高的计算精度。由于碳纳米管传感器工作在常压下，放电会产生大量粒子，采用PIC模型和混合模型计算复杂且耗时，因此，采用流体方法来仿真研究传感器域中的低温等离子体得到广泛应用。但在流体仿真分析方面，大部分研究工作都是针对平板和针板两电极结构进行等离子体仿真建模，未见带有纳米形貌的两电极及三电极结构传感器仿真建模的报导。

因此，目前研究一种三电极电离式碳纳米管气体传感器结构仿真优化方法，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，可以提高传感器的输出电流，增加传感器灵敏度。

为了实现上述目的，本发明提供的优化方法包括如下步骤：

(1)根据传感器的结构参数和模型尺寸单位，基于流体模型，建立传感器场域的二维轴对称模型；

(2)建立流体模型中的质量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程；

(3)设定初始条件，添加传感器的气体电离的反应式及其反应速率以及电极边界反应式；

(4)对传感器场域的二维轴对称模型进行剖分，对碳纳米管和边界进行细刨分，设置传感器输出稳定时的时间范围，并设定时间步长；

(5)计算传感器的稳态输出电流密度，比较传感器输出电流密度；如满足要求，则确定该结构的传感器设计合理；否则，调整传感器结构参数，重复步骤(1)－(5)，直至满足要求。

进一步，所述传感器的结构参数包括：传感器尺寸、电极极间距、电极厚度、透气孔孔径和数量、引出孔孔径和数量以及盲孔尺寸和数量。

进一步，步骤(2)中，所述质量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程分别为

质量守恒方程：

能量守恒方程：

泊松方程：

式中：n_i、Γ_i、μ_i、D_i、S_i分别是粒子 的密度、通量、迁移率系数、扩散率系数和净生成/消耗速率；E是电场强度；n_ε是电子能量密度；Γ_ε是平均能量通量；ΔE_j和R_j分别是非弹性碰撞j的电子能量损失和对应的反应速率；ΔE_k和R_k是激发反应k的电子能量损失和对应的反应速率；V是电势。

进一步，步骤(3)中，设定初始条件包括温度、大气压力和加载电压。

进一步，所述气体电离的反应式包括电子碰撞反应和重粒子之间的反应。

进一步，所述电极边界反应式包括正离子、负离子以及激发态在边界的反应。

进一步，对传感器场域的二维轴对称模型进行剖分，按照场域空间粗刨，边界部分细刨，刨分最小尺度为实际尺度的二十分之一。

该新型电离式碳纳米管气体传感器结构的仿真优化方法，为设计合理的电离式传感器提供有效的方法。通过对带有纳米形貌的三电极结构传感器仿真建模，能够为传感器的结构优化设计提供有效的方法，使传感器的输出电流变大，灵敏度增加。

附图说明

图1是现有技术三电极电离式碳纳米管传感器结构示意图。

图2(a)-(e)是现有技术两电极电离式碳纳米管传感器仿真优化的结构。

图3是三电极电离式碳纳米管气体传感器结构优化方法。

图4是本发明三电极电离式碳纳米管传感器结构的二维轴对称仿真模型。

图5是本发明三电极电离式碳纳米管传感器模型网格剖分图。

图6是本发明三电极电离式碳纳米管传感器仿真的输出电流密度图。

图7是本发明仿真设计的不同三电极电离式碳纳米管传感器结构示意图。

图8是仿真本发明不同结构三电极电离式碳纳米管传感器稳定输出电流密度。

图9是对本发明仿真三电极电离式碳纳米管传感器输出电流的实验验证。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参见图3所示，本发明三电极电离式碳纳米管气体传感器结构优化方法，具体步骤如下：

步骤1，根据传感器的结构参数：传感器尺寸、电极极间距、电极厚度、透气孔孔径和数量、引出孔孔径和数量以及盲孔尺寸和数量，以及模型尺寸单位，基于流体模型，建立传感器场域的二维轴对称模型。

步骤2，建立流体模型中的质量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程，即

质量守恒方程：

能量守恒方程：

泊松方程：

式中：n_i,Γ_i,μ_i,D_i,S_i分别是粒子的密度、通量、迁移率系数、扩散率系数和净生成/消耗速率；E是电场强度；n_ε是电子能量密度；Γ_ε是平均能量通量；ΔE_j和R_j分别是非弹性碰撞j的电子能量损失和对应的反应速率；ΔE_k和R_k是激发反应k的电子能量损失和对应的反应速率；V是电势。

步骤3，设定初始条件，初始条件包括温度、大气压力和加载电压，添加传感器的气体电离的反应式及其反应速率以及电极边界反应式。气体电离的反应式包括电子碰撞反应和重粒子之间的反应，电极边界反应式为包括正离子、负离子以及激发态在边界的反应。

步骤4，对传感器场域二维轴对称模型进行剖分，对碳纳米管按照场域空间粗刨，边界部分进行细刨分，刨分最小尺度为实际尺度的二十分之一；设置传感器输出稳定时的时间范围，并设定时间步长。

步骤5，计算传感器的稳态输出电流密度，比较传感器输出电流密度。如满足要求，则确定该结构的传感器设计合理；否则，调整传感器透气孔、引出孔和盲孔的数量和大小，重复步骤(1)－(5)，直至满足要求。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

1.基于流体模型，建立传感器场域的二维轴对称模型

如图4所示，根据传感器尺寸、电极极间距、电极厚度、透气孔孔径和数量、引出孔孔径和数量以及盲孔尺寸和数量，建立传感器场域的二维轴对称模型，最终建立的结构优化前传感器场域二维轴对称模型与图1所示基本相同，图中长度单位是μm。图1中，1为第一电极，2为第二电极，3为第三电极，4为设有透气孔的电极，5为金属膜基底，6为碳纳米管薄膜，7为绝缘支柱，1-1为透气孔，2-1为引出孔，3-1为盲孔。

三电极电离式碳纳米管气体传感器三个电极尺寸均为14×10mm，第一电极1与第二电极2极间距为75μm、第二电极2与第三电极3极间距为75μm，电极厚度为450μm，有两个Φ4mm透气孔、有一个Φ6mm引出孔以及一个6×8mm的盲孔。

2.建立流体模型中的质量守恒方程(公式①)、能量守恒方程(公式②)和泊松方程(公式④)：

3.设定初始条件，仿真条件为温度30℃，大气压力100KPa，三电极电离式气体传感器第一电极1阴极电压为0V，第二电极2引出极加载电压130V，第三电极3收集极加载电压1V。添加传感器的气体电离的反应式及其反应速率(表1)以及电极边界反应式(表2)。

4.对传感器场域模型进行剖分，对碳纳米管和边界进行细刨分(表3)，刨分后获得传感器模型的网格剖分如图5所示。设置传感器输出稳定时的时间范围：从10^-18s开始，到0.1s结束；时间步长为以10^0.06s。

5.计算获得图1传感器稳定输出时的电流密度曲线(图6)，以此作为评价传感器结构性能优劣的指标。通过调整传感器透气孔、引出孔和盲孔的数量和大小(图7)，可获得不同优化结构的仿真电流密度(图8)，最终获得最优传感器结构。该三电极电离式碳纳米管气体传感器结构优化方法通过制作相同结构的传感器进行实验验证(图9)，实验表明该优化方法可以真实反映传感器性能。

通过该实施例所得的优化结果可以看出，采用本发明的方法，可以对三电极电离式碳纳米管气体传感器结构进行优化，提高传感器的输出响应和灵敏度。

表1

表2

表3

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 (7)

1.一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)根据传感器的结构参数和模型尺寸单位，基于流体模型，建立传感器场域的二维轴对称模型；

(2)建立流体模型中的质量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程；

(3)设定初始条件，添加传感器的气体电离的反应式及其反应速率以及电极边界反应式；

(4)对传感器场域的二维轴对称模型进行剖分，对碳纳米管和边界进行细刨分，设置传感器输出稳定时的时间范围，并设定时间步长；

(5)计算传感器的稳态输出电流密度，比较传感器输出电流密度，如满足要求，则确定该结构的传感器设计合理；否则，调整传感器结构参数，重复步骤(1)－(5)，直至满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，其特征在于，步骤(1)中，所述传感器的结构参数包括：传感器尺寸、电极极间距、电极厚度、透气孔孔径和数量、引出孔孔径和数量以及盲孔尺寸和数量。

3.根据权利要求1所述的一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，其特征在于，步骤(2)中，建立质量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程，即分别为：

质量守恒方程：

能量守恒方程：

Γ_i＝sgn(q_i)n_iμ_iE-D_i▽n_i ③

泊松方程：E＝-▽V ④

式中，n_i、Γ_i、μ_i、D_i、S_i分别是粒子i的密度、通量、迁移率系数、扩散率系数和净生成/消耗速率，粒子i包括e，N₂；E是电场强度；n_ε是电子能量密度；Γ_ε是平均能量通量；ΔE_j和R_j分别是非弹性碰撞j的电子能量损失和对应的反应速率；ΔE_k和R_k是激发反应k的电子能量损失和对应的反应速率；V是电势。

4.根据权利要求1所述的一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，其特征在于，步骤(3)中，设定初始条件包括温度、大气压力和加载电压。

5.根据权利要求1所述的一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，其特征在于，气体电离的反应式包括电子碰撞反应和重粒子之间的反应。

6.根据权利要求1所述的一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，其特征在于，电极边界反应式包括正离子、负离子以及激发态在边界的反应。

7.根据权利要求1所述的一种三电极电离式碳纳米管气体传感器的结构优化方法，其特征在于，对传感器场域的二维轴对称模型进行剖分，按照场域空间粗刨，边界部分细刨，刨分最小尺度为实际尺度的二十分之一。