CN1727889A - 基于纳米间隙的微型气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气体在纳米间隙中的电离来实施气敏检测的微型气体传感器。本发明采用在线阻抗监测电镀法来制备具有纳米间隙的金属电极对，所制备的微型气体传感器包括绝缘基底和在绝缘基底上设置一电极对，电极对中两电极的间隙为1纳米至999纳米。本发明的微型气体传感器采用纳米间隙，可以在较低的外加电压下产生强电场，然后通过不同的电离电压和电离电流来实施气敏检测，大大简化了微型，便携式气体传感器的制备，可广泛应用于在有毒有害气体报警，气相色谱等领域。
Description
(一)技术领域 本发明涉及一种基于气体在纳米间隙中的电离来实施气体检测的气体传感器，该气体传感器应用于有毒有害气体报警、气相色谱分析等领域。
(二)背景技术 人类的生存离不开空气，但是随着社会的发展，各种各样的有害气体不断产生和排放到大气之中。如果不对这些气体进行及时监测，将会对人类的健康造成极大的危害。另外，在人们的日常生活和生产中有时也必须使用一些可燃、有毒气体。例如，现在大多数的家庭日常生活离不开城市煤气；在外科手术中必须使用一些麻醉气体使病人暂时丧失痛觉；在化工、微电子工业中更是会使用到一些剧毒、可燃气体。如果在这些气体的使用过程中没有有效的监测，将会造成不可估量的后果。
气体检测最方便的技术是运用气敏传感器进行检测。目前在市场上主要有两大类的气体传感器。一类是基于半导体氧化物材料的气体传感器，另一类是基于电化学原理的气体传感器。基于半导体氧化物材料的气体传感器主要优点是成本低，但是其选择性和稳定性都比较差。基于电化学原理的气体传感器虽然在选择性和稳定性有所提高，但是总的来讲还是只能应用于一些特定的应用场合。因此，在很多情况下气体的检测仍依赖于现场采样然后再送回实验室用大型分析仪器进行分析。
针对这一情况，本发明提出了一种基于气体电离原理的气体传感器。
(三)发明内容 本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于气体在纳米间隙中的电离来实施气体检测的气体传感器，该气体传感器通过检测气体的电离电压来实现不同气体的检测识别，由于电极之间的间隙在纳米范围，在常温常压下气体可以在几十伏左右的电压范围内电离，电离法气体检测灵敏度高，工作性能稳定可靠，且可用于现场检测。
本发明基于纳米间隙的微型气体传感器包括绝缘基底，在绝缘基底上设置一电极对，电极对中两电极的间隙为1纳米至999纳米。
所述的电极对由电极基底和电镀薄膜组成。
所述电极基底材料为铂，金，或铜，电镀薄膜材料为金，铜，或镍。
所述绝缘基底材料为玻璃，氧化铝陶瓷或云母。
本发明的基本思想是通过缩短两电极间的距离来增强电场强度，然后通过气体在强场内的电离来实施低外加电压下的气体检测。
大多数气体传感器需要在常温常压下工作。在常温常压下，气体一般呈绝缘态。但是，当气体处于一外加电场中时，若所施加的电场足够强，则气体中的一些带电粒子会在电场中受力加速并获能。这些获能粒子在运动过程中会和其他的中性粒子碰撞并发生能量传递，从而导致这些中性粒子也电离，在合适的条件下这种碰撞可以使得气体中带电粒子的数目呈几何级数增长，从而使气体从绝缘体变为导体，并使电流通过。因此，通过检测气体的电离电流，可以到达气体检测的目的。和其他的气体检测方法相比，电离法气体检测的优点是检测的稳定性好，但是宏观条件下的气体电离需要有很高的外加电压以产生强电场。
在宏观条件下，气体电离所需要的外加电压由伯森定律决定。对于空气而言，当两电极间距为毫米量级时，伯森定律大致可表述为：
V＝30pd+1.35kV
其中d为电极间的距离，单位为厘米，p为气体压力，单位为标准大气压。由此可见在宏观条件下气体的电离需要约上千伏的电压。上千伏的电压虽然从技术上讲可以产生，但是在微型化，便携式的传感器的应用中，上千伏的高压会给整个系统的设计带来很大的问题。
除了提高两电极上所施加的电压以产生强场外，其他产生强场的方法是缩短两电极之间的距离，并利用尖端放电等非线性现象以增强局部电场强度。实验表明当电极之间的距离为150微米，并且一电极板由碳纳米管组成时，空气的电离电压为350伏左右。在本发明中，提出了采用新型的微纳加工技术，使电极之间的距离缩短到几个纳米的量级。实验表明，当电极间的距离缩短到几个纳米量级时，在常温常压下，气体电离所需要的电压只需要几十伏。这样可以大大的促进微型、便携式气体传感器的研究。更进一步，当电极间距缩小到原子量级时，电极之间的气体将不再可以视作连续体，电离电压将取决于单个气体分子的特性，这将极大地提高传感器的检测灵敏度。
本发明与现有技术相比，产生了实质性特点和显著的进步：
(1)可应用于特定的场合，在常温常压下实施现场检测；
(2)微型气体传感器，体积小，携带方便；
(3)采用在线阻抗监测电镀法制备铜膜纳米电极，制得的纳米电极间距可控。
(4)通过检测气体的电离电压来实现不同气体的检测识别，检测灵敏度高，工作性能稳定可靠。
(四)附图说明
本发明的实施例示于图中：
图1是本发明微型气体传感器的结构示意图。图中1.基底 2.电极对3.电镀薄膜 4.电极基底
图2是本发明微型气体传感器采用在线阻抗监测电镀法制备铜膜纳米电极的实验装置。图中1.基底 2.电极对(阴极) 3.电镀薄膜 4.电极基底 5.对电极 6.阻抗测量电源 7.放大器 8.阻抗输出 9.电镀电源
图3不同气体在本发明所制备的纳米间隔中的电离电压值的图示。
(五)具体实施方案。
下面结合实施例对本发明作进一步详述：
根据附图1所示的实施例：基于纳米间隙的微型气体传感器，包括绝缘基底1，在绝缘基底1上设置一对电极对2，电极对2中两电极的间隙为1纳米至999纳米。绝缘基底1的材料为玻璃，也可以使用其他具有很好绝缘性能的基底材料，如云母，或氧化铝陶瓷等，本实施例中采用玻璃材料。
每个电极对2又由两部分组成，一部分为通过薄膜溅射、真空蒸镀微电子半导体工艺制作的电极基底4，第二部分为在此基础上进一步通过电镀制作的电镀薄膜3。电极基底4采用真空溅射制作，其工艺参数可参考标准的微电子加工工艺，这一步完成后，电极对2的间距在1微米左右。本实施例中电极基底4的材料为金，但是也可以用铂，或铜，本实施例中电镀薄膜3的材料为铜，但是也可以用金，或镍。
电镀薄膜3采用在线阻抗监测电镀法来制作，使得电极对2中两电极之间为纳米间隙。根据附图2所示的实施例：在线阻抗监测电镀法装置包括：基底1、电极对2、电镀电源9、对电极5、阻抗测量电源6、放大器7、阻抗输出8。其中电极对2、电镀电源9和对电极5组成了电镀电化学电池，在电镀过程中电极对2为阴极，对电极5为阳极。本实施例的电镀薄膜3材料为铜，所以电镀的溶液为硫酸铜，在电镀过程中铜被沉积在电极基底4上，形成电镀薄膜3，并组成电极对2。同时，电极对2的两个电极，阻抗测量电源6，放大器7组成了阻抗测量回路，来测量电极对2的两个电极之间的阻抗。随着电镀的进行，电极对2的两个电极之间的距离越来越近，其之间的阻抗也越来约小，因此，通过阻抗测量可以间接推出电极对2的两个电极之间的距离，从而决定电镀停止的时间。在本实施例中，电镀时电镀液中硫酸铜的浓度为0.5摩尔，电镀时施加于电极对2和对电极5之间的电压为900毫伏。阻抗测量回路中阻抗测量电源为一1000赫兹，幅度为10毫伏的正弦信号。当电极对2的两个电极之间的阻抗小于10欧姆时停止电镀。经观察，在此条件下得到的电极对2的两个电极间的距离为10纳米，也即电极对2的两电极已经形成一纳米间隙。
本发明微型气体传感器的应用实例：
将本发明基于纳米间隙的微型气体传感器放置于一气体腔内，在电极对2的两电极之间施加一可调电压，并同时监测流过电极对2的两电极之间的电流。当电极对2的两电极之间的气体发生电离时，所流过的电压将明显增大，从而通过电流电压的对应测量可以测得电离电压。不同的气体由不同的电离电压。因此，控制气体腔内的气体成分，当腔内气体的成分不同时，电极对2的两电极之间的电离电压也不同，从而达到气体检测识别的功能。图3是一常见的测量结果，测量在常温常压下进行的。可以看到空气，氮气，及氧气有不同的电离电压。
另外，在同一气体中，电离时的电流和气体的浓度有关，这样通过电离电流的检测就可以进行气体浓度的检测。
Claims (4)
1.一种基于纳米间隙的微型气体传感器，其特征是在绝缘基底上设置一电极对，电极对中两电极的间隙为1纳米至999纳米。
2.根据权利要求1所述的微型气体传感器，其特征是电极对由电极基底和电镀薄膜组成。
3.根据权利要求1所述的微型气体传感器，其特征是所述绝缘基底材料为玻璃，氧化铝陶瓷或云母。
4.根据权利要求1或2所述的微型气体传感器，其特征是所述的电极基底材料为铂，金，或铜，所述的电镀薄膜材料为金，铜或镍。
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