專(zhuān)利名稱(chēng)：碳納米管薄膜三電極傳感器陣列及混合氣體濃度檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感領(lǐng)域，特別是一種基于碳納米管及氣體放電原理的三電極傳 感器及其陣列，以及在不分離混合氣體條件下直接檢測(cè)混合氣體濃度的方法。
背景技術(shù)：
隨著各行各業(yè)氣體檢測(cè)的迫切需要以及納米技術(shù)的發(fā)展，納米傳感器已獲得長(zhǎng)足 的進(jìn)展。尤其是隨著20世紀(jì)末期碳納米管的發(fā)現(xiàn)，碳納米管在氣體、溫度、濕度檢測(cè)領(lǐng)域展 現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。碳納米管氣敏、溫敏、濕敏傳感器中的碳納米管薄膜兩電極傳感器， 以其檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)氣體范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，成為氣體、溫度、濕度檢測(cè)領(lǐng)域的研究 熱點(diǎn)。碳納米管薄膜兩電極氣敏傳感器基于氣體放電原理，克服了其它類(lèi)型的碳納米管氣 敏傳感器在被測(cè)氣體中飽和中毒的缺點(diǎn)，氣體濃度測(cè)量范圍及被測(cè)氣體種類(lèi)范圍更寬。用 碳納米管作為敏感材料構(gòu)成的氣敏、溫敏、濕敏傳感器，具有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn) 一是碳納米管的比表面積大，在傳感器整體尺寸較小的情況下，可大大提高電極的面積；二 是基于碳納米管納米級(jí)的尖端曲率半徑，使傳感器工作電壓極大降低，并在碳納米管尖端 附近獲得極強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，在低電壓下使被測(cè)氣體電離；三是大大縮小了傳感器的尺寸，動(dòng) 態(tài)響應(yīng)快。因此，它在生物、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事、反恐等方面具有廣泛的發(fā)展前途?，F(xiàn)有的碳納米管薄膜兩電極傳感器包括由西安交通大學(xué)的劉君華、張勇、李昕、朱 長(zhǎng)純教授等人在2001年的第14屆IVMC國(guó)際真空微電子學(xué)國(guó)際會(huì)議公開(kāi)的碳納米管薄膜 兩電極氣體傳感器(圖1所示)。該傳感器工作之后由于極間放電后空間電荷難以擴(kuò)散，傳 感器難以恢復(fù)到初始狀態(tài)，并且傳感器擊穿電壓、擊穿電流與氣體濃度之間呈現(xiàn)多值關(guān)系 (圖2，圖3)，無(wú)法對(duì)氣體濃度進(jìn)行測(cè)量。美國(guó)倫斯勒工業(yè)學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute)的NikhilKoratkar與Pulickel M Ajayan教授等人研制了碳納米管薄膜陽(yáng) 極CNTFA(carbonnanotube film anode)兩電極氣體傳感器。該傳感器擊穿電壓與氣體濃 度之間呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系，擊穿放電電流與氣體濃度之間線(xiàn)性誤差較大；同時(shí)該傳感器必須 與色譜儀聯(lián)用，用CNTFA替代傳統(tǒng)的色譜儀中的氣體探測(cè)器，采用色譜柱分離技術(shù)，來(lái)解決 CNTFA對(duì)混合氣體的識(shí)別與濃度測(cè)量問(wèn)題；該傳感器放電電壓和放電電流都較大；而且無(wú) 法實(shí)現(xiàn)CNTFA對(duì)單一氣體與混合氣體的測(cè)量。浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院的惠 國(guó)華、陳裕泉教授在120微米極間距的條件下對(duì)碳納米管薄膜陰極兩電極氣體傳感器進(jìn)行 了研制，研究了傳感器在三種單一氣體中的放電特性，由于靈敏度較低，沒(méi)有構(gòu)成測(cè)量濃度 的氣體傳感器。因此，目前對(duì)敏感混合氣體各組份的碳納米管薄膜電極傳感器陣列及其不分離混 合氣體直接檢測(cè)混合氣體各組份濃度的方法的研究，成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一，是提供一種碳納米管薄膜三電極傳感器，將傳統(tǒng)碳納米管薄 膜兩電極傳感器的輸出電流分為電子流與離子流，建立本發(fā)明三電極傳感器收集極收集的
4離子流與混合氣體各組份濃度、溫度、濕度的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，克服碳納米管薄膜兩電極傳感 器氣敏特性及濕敏特性的多值非線(xiàn)性問(wèn)題。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，檢測(cè)氣體靈敏度
尚ο本發(fā)明的另一目的，是提供一種基于碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)混合氣 體濃度的方法，由不同極間距碳納米管薄膜三電極傳感器組成傳感器陣列分別測(cè)量待測(cè)混 合氣體各組份濃度、氣體溫度與濕度；該混合氣體濃度測(cè)量方法要求的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能測(cè) 量任何混合氣體，采用數(shù)據(jù)融合算法，檢測(cè)混合氣體準(zhǔn)確度高。本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。碳納米管三電極傳感器，其特征在于包括三個(gè)自上而下依次分布的第一電極、第 二電極和第三電極，所述第一電極由內(nèi)表面粘接有分布著碳納米管薄膜的基底以及設(shè)有透 氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極由板面設(shè)有盲 孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過(guò)絕緣支柱相互隔離。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征還在于所述三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距為30 250 μ m ；所述第一電極與第二電 極極板正對(duì)面積為0. 01 17mm2，第二電極與第三電極極板正對(duì)面積為0. 01 190mm2。所述第一電極的電極表面的透氣孔為1 4個(gè)，在電極內(nèi)側(cè)表面粘接的基底上附 著有碳納米管薄膜；所述第二電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔；所述第三電極收集極盲孔與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)。本發(fā)明還給出了一種基于碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)混合氣體濃度的 方法，該方法包括下述步驟(1)選擇三個(gè)電極的相鄰兩個(gè)電極的極間距為30 250 μ m的碳納米管薄膜三電 極傳感器；(2)按照待測(cè)混合氣體中的組份氣體數(shù)量，分別將設(shè)定不同極間距的碳納米管薄 膜三電極傳感器置于待測(cè)混合氣體中，并同時(shí)將兩個(gè)不同極間距的碳納米管薄膜三電極溫 度傳感器和濕度傳感器置于待測(cè)氣體中，由所有傳感器組成傳感器陣列；(3)分別對(duì)步驟(2)三電極結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜三電極混合氣體各組份傳感器、 溫度和濕度傳感器的第一電極加載電壓為0V，第二電極加載電壓2 200V，第三電極加載 電壓1 180V ；(4)在待測(cè)混合氣體各組份濃度、溫度和濕度測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同的濃度、溫度 和濕度標(biāo)定值，分別測(cè)量步驟O)中所有傳感器輸出的氣體放電離子流值；(5)將步驟(4)中在濃度、溫度、濕度測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)得的所有傳感器輸出離子流 值，與相應(yīng)的混合氣體各組份濃度、溫度標(biāo)和濕度標(biāo)定值，組成不同的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本，然后 采用分段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)，得到插值樣本，并根據(jù)包含了 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本及插值樣本的所有樣本組建混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)；(6)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立混合氣體傳感器、溫度傳感器及濕 度傳感器的測(cè)量模型；以混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合儀的輸入樣本和 期望輸出樣本，并以量程范圍內(nèi)不同的數(shù)據(jù)分別作為數(shù)據(jù)融合儀的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本進(jìn) 行訓(xùn)練和檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足實(shí)測(cè)誤差要求時(shí)，數(shù)據(jù)融合儀輸出傳感器陣列的混合氣體濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型；(7)將碳納米管薄膜三電極傳感器陣列、溫度傳感器和濕度傳感器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的 離子流值輸入步驟(6)獲得的混合氣體濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型，該模型輸出混合氣體各組份濃 度的準(zhǔn)確測(cè)量值。本發(fā)明方法特征還在于所述三電極結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜三電極傳感器中，第二電極電位高于第一電極電 位，第三電極電位低于第二電極電位且高于第一電極電位。所述建立混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，是將實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)與插值數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫(kù)， 將傳感器陣列中各傳感器輸出的離子流值及其插值數(shù)據(jù)作為輸入樣本，將混合氣體中各組 份濃度、溫度和濕度標(biāo)定值及其插值數(shù)據(jù)作為期望輸出樣本。基于碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)混合氣體濃度的方法，由不同極間距碳 納米管薄膜三電極傳感器組成傳感器陣列，分別測(cè)量待測(cè)混合氣體各組份濃度、溫度與濕 度；由傳感器電壓源供電；由PA級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)傳感器輸出；調(diào)整電極間距，調(diào)整電極 電壓，在待測(cè)混合氣體中，在溫度、濕度環(huán)境中進(jìn)行傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；基于分段插值技術(shù) 對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)；將包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)及插值數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù) 組成混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得傳感器陣列在待測(cè)混合氣體中的單值氣敏特性、單值 溫度敏感特性、單值濕度敏感特性；根據(jù)混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)融合 技術(shù)，消除溫度、濕度的影響，建立傳感器陣列的混合氣體濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型；將實(shí)測(cè)時(shí)傳 感器陣列的輸出實(shí)時(shí)地輸入混合氣體濃度測(cè)量模型，就可以得到混合氣體各組份濃度的實(shí) 測(cè)結(jié)果。該混合氣體濃度測(cè)量方法克服了碳納米管薄膜兩電極傳感器氣敏特性及濕敏特性 的多值非線(xiàn)性問(wèn)題，要求的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能測(cè)量任何混合氣體，并且成本低，檢測(cè)氣體靈 敏度高、準(zhǔn)確度高，適合于推廣使用。本發(fā)明所述的混合氣體濃度檢測(cè)方法，采用不同極間距的碳納米管薄膜三電極傳 感器陣列技術(shù)，在不分離混合氣體的條件下，可實(shí)現(xiàn)混合氣體的濃度準(zhǔn)確測(cè)量，準(zhǔn)確度為 1%。該新型混合氣體濃度檢測(cè)方法與已有的離子化探測(cè)器色譜儀中使用的傳統(tǒng)三電極探 測(cè)器的濃度檢測(cè)方法相比，由于采用碳納米管薄膜做電極并采用不同極間距的傳感器組成 陣列，陣列中的相應(yīng)傳感器對(duì)混合氣體中的各組份都具有高靈敏度以及的濃度測(cè)量準(zhǔn) 確度，因此測(cè)量過(guò)程中既避免了采用混合氣體分離裝置例如色譜柱分離混合氣體的過(guò)程， 又克服了色譜儀需要針對(duì)不同氣體組份更換不同種類(lèi)探測(cè)器的難題。并且碳納米管薄膜三 電極傳感器以碳納米管納米級(jí)的尖端曲率半徑可實(shí)現(xiàn)將傳感器工作電壓，從離子化探測(cè)器 的600伏高壓降至200伏以下的安全實(shí)用范圍。本發(fā)明的新型混合氣體濃度測(cè)量方法將不 同極間距的傳感器陣列技術(shù)、PA級(jí)電流測(cè)量技術(shù)、分段插值技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)集成在 一起，不需要分離混合氣體，可消除溫度、濕度的影響，可實(shí)現(xiàn)混合氣體中各組份濃度的準(zhǔn) 確測(cè)量。


圖1是碳納米管薄膜陰極兩電極傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜兩電極氣體傳感器的擊穿電壓與氣體濃度的多值 非線(xiàn)性氣敏特性。
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圖3是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜兩電極氣體傳感器的擊穿電流與氣體濃度的非線(xiàn) 性多值氣敏特性。圖4是本發(fā)明碳納米管薄膜三電極傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明碳納米管薄膜三電極傳感器立體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖6是本發(fā)明碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)二氧化硫與一氧化氮兩組份 混合氣體濃度的單值關(guān)系。圖中1、第一電極；2、第二電極；3、第三電極；4、有透氣孔的電極；5、碳納米管薄 膜基底；6、碳納米管薄膜；7、絕緣支柱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1如圖4、圖5所示，該碳納米管薄膜三電極傳感器，包括由三個(gè)依次自上而下相互 疊加的電極構(gòu)成，該三個(gè)相互疊加電極分別設(shè)有第一電極1、第二電極2和第三電極3，所述 第一電極1由內(nèi)表面粘接有分布著碳納米管薄膜6的基底5以及設(shè)有透氣孔的電極4構(gòu)成； 第二電極2由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極3由電極板面設(shè)有盲孔的收集 極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過(guò)絕緣支柱7相互隔離。圖6所示的碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)兩組份混合氣體濃度的實(shí)施例 中，所用傳感器第一電極1的電極表面的透氣孔有2個(gè)，透氣孔為圓形；在該透氣孔的一側(cè) 表面粘接有碳納米管薄膜基底5，其上分布有碳納米管薄膜6，且該碳納米管管口向下。第 二電極2中心設(shè)有1個(gè)引出孔、且引出孔為圓形的實(shí)施例。第三電極3收集極盲孔與第二 電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，圖4、圖5中給出了設(shè)置一個(gè)盲孔、且盲孔為圓柱體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。絕 緣支柱7分別設(shè)置在碳納米管薄膜基底5與第二電極2之間、第二電極2與第三電極3之 間，即絕緣支柱7分布于第二電極2正對(duì)第一電極1的碳納米管薄膜基底兩端的表面兩側(cè) 及第三電極3的內(nèi)側(cè)表面的兩側(cè)。本發(fā)明設(shè)有透氣孔的電極4板面與碳納米管薄膜基底5均采用硅片材料制作；所 述碳納米管薄膜6，可采用酞菁鐵做為催化劑，并采用碳源，在基底5上生長(zhǎng)制作碳納米管 薄膜6，或者絲網(wǎng)印刷碳納米管薄膜6。第二電極2和第三電極3均采用硅片制作。設(shè)有透 氣孔的電極4和第三電極3內(nèi)側(cè)面、第二電極2的兩側(cè)面均設(shè)有金屬膜。本發(fā)明第一電極1中的電極上有2個(gè)透氣孔，便于待檢測(cè)氣體進(jìn)入電極間隙；碳納 米管薄膜的硅片基底具有導(dǎo)電能力，并牢固粘接在第一電極內(nèi)側(cè)表面；經(jīng)第二電極2的引 出孔，第三電極3收集極可收集氣體電離產(chǎn)生的正離子流。第一電極1與第二電極3之間、 第二電極2與第三電極3之間通過(guò)絕緣支柱7相互隔離；被測(cè)氣體通過(guò)傳感器周邊電極間 的間隙進(jìn)入傳感器相鄰兩個(gè)電極的間隙中。下面通過(guò)一個(gè)具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)混合氣體 濃度的方法做進(jìn)一步說(shuō)明。采用兩個(gè)不同極間距碳納米管薄膜三電極氣體濃度傳感器、兩個(gè)不同極間距的碳 納米管薄膜三電極溫度、濕度傳感器組成傳感器陣列，實(shí)驗(yàn)獲得了兩組份混合氣體的單值 氣敏特性(圖6所示)，傳感器輸出的離子流數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)融合建立的兩組份混合氣體濃度測(cè)量模型，獲得了準(zhǔn)確度小于1 %的兩組份混合氣體濃度測(cè)量值。圖6所示的碳納米管薄膜三電極傳感器陣列中的二氧化硫傳感器和一氧化氮傳 感器在二氧化硫與一氧化氮兩組份混合氣體中輸出的氣體放電離子流與兩組份氣體濃度 的實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為溫度22. 0°C、相對(duì)濕度25. 6% RH、大氣壓力93. 4KPa。圖6中 上曲面是一氧化氮傳感器的單值特性，下曲面是二氧化硫傳感器的單值特性。一氧化氮傳 感器的第一電極1與第二電極2、第二電極2與第三電極3極間距均為150 μ m, 二氧化硫傳 感器第一電極1與第二電極2、第二電極2與第三電極3極間距均為180 μ m ；監(jiān)測(cè)溫度用的 碳納米管薄膜三電極傳感器相鄰電極的極間距均為170 μ m ；監(jiān)測(cè)濕度用的碳納米管薄膜 三電極傳感器相鄰電極的極間距分別為200μπι、100μπι。上述碳納米管薄膜三電極傳感器 的第一電極1與第二電極2極板正對(duì)面積為17mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面積 為190mm2。兩個(gè)測(cè)量混合氣體組份濃度傳感器的第一電極1陰極電壓均為0V，第二電極2 引出極均加載電壓100V，第三電極3收集極均加載電壓IOV ；溫度傳感器第一、第二、第三電 極電壓分別為0￥、70￥、10￥;濕度傳感器第一、第二、第三電極電壓分別為抓、9(^、10￥。隨著 302與而氣體濃度的升高，兩個(gè)測(cè)量氣體濃度的傳感器收集極收集到的離子流均減小，離子 流隨兩種氣體濃度增加呈現(xiàn)單值下降的關(guān)系；溫度、濕度傳感器敏感特性與氣體傳感器類(lèi) 似。在氣體0 741. 051ppm濃度范圍內(nèi)以及NO氣體0 1127. 46ppm的濃度范圍內(nèi)， 獲得了 25組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。四個(gè)傳感器離子流值作為輸入樣本，兩組份氣體濃度標(biāo)定值作 為期望輸出樣本數(shù)據(jù)。采用二維曲面分段線(xiàn)性插值，在氣體0 741. 051ppm濃度范圍 內(nèi)以及NO氣體0 1127. 46ppm的濃度范圍內(nèi)，對(duì)25組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，共獲 得1645組插值數(shù)據(jù)，并與25組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫(kù)；選用1621組插值數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練 樣本，剩余M組不同于訓(xùn)練樣本的插值數(shù)據(jù)與25組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)及1組用作訓(xùn)練樣本的 插值數(shù)據(jù)共50組濃度注意值(即氣體濃度臨界值)數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，輸入數(shù)據(jù)融合儀， 通過(guò)訓(xùn)練檢驗(yàn)，獲得S02、NO兩組份混合氣體濃度測(cè)量模型。該模型組份濃度測(cè)量結(jié)果 的線(xiàn)性度為0. 38%，50組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0. 46%;N0組份濃度測(cè)量 結(jié)果的線(xiàn)性度為0. 18%,50組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0. 23%，達(dá)到了 的濃度測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)施例2本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是采用不同極間距的三個(gè)碳納米管薄 膜三電極傳感器測(cè)量三組份混合氣體中三個(gè)組份的濃度，每個(gè)傳感器三個(gè)電極中相鄰兩個(gè) 電極的極間距相同，三個(gè)傳感器的極間距分別為250μπι、150μπι、30μπι，第一電極1與第二 電極2極板正對(duì)面積為0. 01mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為0. 01mm2。傳感器第一電極1的電極表面的透氣孔有1個(gè)，透氣孔為四邊形、五邊形或六邊 形；第二電極2中心引出孔為4個(gè)，引出孔為四邊形、五邊形或六邊形；第三電極3盲孔的數(shù) 量為4個(gè)，盲孔為3 6棱柱或棱錐體。本實(shí)施例的檢測(cè)方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是采用不同極間距的三個(gè)碳納米管薄膜三電極傳感器檢測(cè)三組份混合氣體中三個(gè) 不同組份的氣體濃度，三個(gè)傳感器的第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極加載電壓 2V，第三電極收集極加載電壓IV。將碳納米管薄膜三電極傳感器陣列、溫度傳感器和濕度傳 感器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的離子流值輸入三組份混合氣體濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型，該模型輸出三組份混
8合氣體各組份濃度的準(zhǔn)確測(cè)量值。實(shí)施例3本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是采用不同極間距的四個(gè)碳納米管薄 膜三電極傳感器組成傳感器陣列，每個(gè)傳感器三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距相同， 四個(gè)傳感器的極間距分別為250 μ m、150 μ mUOO μ m、30 μ m，第一電極1與第二電極2極板 正對(duì)面積為10mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為100mm2。傳感器第一電極1的電極表面的透氣孔有4個(gè)，透氣孔為四邊形、五邊形或六邊 形；第二電極2中心引出孔為2個(gè)，引出孔為四邊形、五邊形或六邊形；第三電極3盲孔的數(shù) 量為2個(gè)，盲孔為3 6棱柱或棱錐體。本實(shí)施例的檢測(cè)方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是采用不同極間距的四個(gè)碳納米管薄膜三電極傳感器檢測(cè)四組份混合氣體四個(gè)不 同組份的氣體濃度，傳感器的第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極加載電壓200V，第 三電極收集極加載電壓180V。將碳納米管薄膜三電極傳感器陣列、溫度傳感器和濕度傳感 器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的離子流值輸入四組份混合氣體濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型，該模型輸出四組份混合 氣體各組份濃度的準(zhǔn)確測(cè)量值。本發(fā)明通過(guò)不同極間距的碳納米管薄膜三電極傳感器組成傳感器陣列、pA級(jí)電流 測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)傳感器輸出、分段插值及數(shù)據(jù)融合方法，形成一種新型、可以測(cè)量各種混合待 測(cè)氣體、抗干擾能力強(qiáng)、不需要分離待測(cè)混合氣體、準(zhǔn)確度高的混合氣體濃度測(cè)量方法。傳 感器陣列里不同極間距的傳感器，在不分離混合氣體條件下直接檢測(cè)混合氣體中的各組份 濃度，并且實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度、濕度的干擾影響；PA級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)檢測(cè)對(duì)應(yīng)各組份氣 體濃度、溫度和濕度的各傳感器輸出的PA級(jí)電流；分段插值及數(shù)據(jù)融合方法，可消除溫度、 濕度干擾，輸出準(zhǔn)確度高的混合氣體濃度測(cè)量值。雖然本發(fā)明以上述較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出了詳細(xì)的描述，但上述實(shí)施例并不 用于限定本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案所給出的技術(shù)特征和結(jié)構(gòu)范圍的情況下，對(duì)技 術(shù)特征所作的增加、變形或以本領(lǐng)域同樣內(nèi)容的替換，均應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.碳納米管薄膜三電極傳感器，其特征在于包括三個(gè)自上而下依次分布的第一電 極、第二電極和第三電極，所述第一電極由內(nèi)表面粘接有分布著碳納米管薄膜的基底以及 設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極由板面 設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過(guò)絕緣支柱相互隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜三電極傳感器，其特征在于所述三個(gè)電極中 相鄰兩個(gè)電極的極間距為30 250 μ m ；所述第一電極與第二電極極板正對(duì)面積為0. 01 17mm2，第二電極與第三電極極板正對(duì)面積為0. 01 190mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜三電極傳感器，其特征在于所述第一電極的 電極表面的透氣孔為1 4個(gè)，在電極內(nèi)側(cè)表面粘接的基底上附著有碳納米管薄膜；所述第二電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔；所述第三電極收集極盲孔與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)。
4.基于碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)混合氣體濃度的方法，其特征在于，該方 法包括下述步驟(1)選擇三個(gè)電極的相鄰兩個(gè)電極的極間距為30 250μ m的碳納米管薄膜三電極傳 感器；(2)按照待測(cè)混合氣體中的組份氣體數(shù)量，分別將設(shè)定不同極間距的碳納米管薄膜三 電極傳感器置于待測(cè)混合氣體中，并同時(shí)將兩個(gè)不同極間距的碳納米管薄膜三電極溫度傳 感器和濕度傳感器置于待測(cè)氣體中，由所有傳感器組成傳感器陣列；(3)分別對(duì)步驟(2)三電極結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜三電極混合氣體各組份傳感器、溫度 和濕度傳感器的第一電極加載電壓為0V，第二電極加載電壓2 200V，第三電極加載電壓 1 180V ；(4)在待測(cè)混合氣體各組份濃度、溫度和濕度測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同的濃度、溫度和濕 度標(biāo)定值，分別測(cè)量步驟O)中所有傳感器輸出的氣體放電離子流值；(5)將步驟(4)中在濃度、溫度、濕度測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)得的所有傳感器輸出離子流值，與 相應(yīng)的混合氣體各組份濃度、溫度標(biāo)和濕度標(biāo)定值，組成不同的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本，然后采用分 段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)，得到插值樣本，并根據(jù)包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo) 定樣本及插值樣本的所有樣本組建混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)；(6)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立混合氣體傳感器、溫度傳感器及濕度傳 感器的測(cè)量模型；以混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合儀的輸入樣本和期望 輸出樣本，并以量程范圍內(nèi)不同的數(shù)據(jù)分別作為數(shù)據(jù)融合儀的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本進(jìn)行訓(xùn) 練和檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足實(shí)測(cè)誤差要求時(shí)，數(shù)據(jù)融合儀輸出傳感器陣列的混合氣體濃度準(zhǔn) 確測(cè)量模型；(7)將碳納米管薄膜三電極傳感器陣列、溫度傳感器和濕度傳感器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的離子 流值輸入步驟(6)獲得的混合氣體濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型，該模型輸出混合氣體各組份濃度的 準(zhǔn)確測(cè)量值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)混合氣體濃度的 方法，其特征在于所述三個(gè)電極結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜三電極傳感器中，第二電極電位高于 第一電極電位，第三電極電位低于第二電極電位且高于第一電極電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于碳納米管薄膜三電極傳感器陣列檢測(cè)混合氣體濃度的方法，其特征在于所述建立混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，是將實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)與插值數(shù)據(jù)組成 數(shù)據(jù)庫(kù)，將傳感器陣列中各傳感器輸出的離子流值及其插值數(shù)據(jù)作為輸入樣本，將混合氣 體中各組份濃度、溫度和濕度標(biāo)定值及其插值數(shù)據(jù)作為期望輸出樣本。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳納米管薄膜三電極傳感器陣列及混合氣體濃度檢測(cè)方法，傳感器包括三個(gè)依次分布的第一、第二和第三電極，第一電極設(shè)有透氣孔，其內(nèi)表面粘接有分布著碳納米管薄膜的基底；第二電極中心設(shè)有引出孔；第三電極板面設(shè)有盲孔；三個(gè)電極相互隔離。方法包括1)放置多個(gè)不同極間距傳感器；2)在電極上施加電壓；3)測(cè)量各傳感器離子流值；4)測(cè)得值與混合氣體各組份濃度、溫度、濕度標(biāo)定值組成樣本，并與插值樣本，構(gòu)建混合氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)；5)構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立混合氣體濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型；6)陣列中各傳感器實(shí)測(cè)值輸入測(cè)量模型，獲得混合氣體各組份濃度準(zhǔn)確測(cè)量值。該傳感器陣列檢測(cè)氣體靈敏度高，線(xiàn)性度好，準(zhǔn)確度高。
文檔編號(hào)G01K7/40GK102095783SQ201110039018
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者劉君華, 唐建文, 姜為華, 宋曉慧, 張勇, 張建業(yè), 張晶園, 方靜, 李昕, 牛國(guó)平, 王影花, 王曉冰, 王進(jìn) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)