專利名稱：碳納米管薄膜微納米電離式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米傳感器制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種采用碳納米管薄膜的、具有 單值輸入輸出特性、對(duì)氣體濃度、溫度、濕度具有敏感特性的電離式傳感器。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境檢測(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電離式 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電離式氣敏傳感器基于氣體放電原理，克服了其它類 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電離式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 管薄膜兩電極電離式氣體傳感器(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，圖幻，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Nikhil Koratkar與Pulickel M Ajayan教授等人研制了碳納 米管薄膜陽(yáng)極CNTFA(carbon nanotube 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)非線性關(guān)系，擊穿放電電流與氣體濃度之間線性誤差較大；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)CNT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。并研究了 CNT薄膜陰極兩電極傳感器的溫敏特性(圖4)和濕敏 特性(圖5)，即空氣中擊穿電壓與溫度、濕度的關(guān)系。該兩電極傳感器在溫度為10攝氏度 時(shí)擊穿電壓高達(dá)360伏，溫度為60攝氏度時(shí)擊穿電壓也在150伏以上；擊穿電壓與濕度具 有多值非線性特性，沒(méi)有構(gòu)成碳納米管薄膜兩電極電離式溫度和濕度傳感器。因此，目前對(duì)各類氣體敏感的碳納米管薄膜電離式氣體、溫度和濕度傳感器的研 制成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，將碳納米管薄膜兩 電極傳感器的輸出電流分為電子流與離子流，建立本發(fā)明碳納米管薄膜微納米電離式傳感 器收集極收集的離子流與氣體濃度、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 高、準(zhǔn)確度高，適合于推廣使用。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。碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，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)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金 屬膜基底以及設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有透氣孔的引出極極板構(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)明進(jìn)一步的特征在于所述三個(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 170mm2，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)表面附著的金屬膜基 底上生長(zhǎng)或者絲網(wǎng)印刷有碳納米管薄膜。所述第二電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)透氣孔。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)。所述絕緣支柱分布于三個(gè)電極內(nèi)端面兩側(cè)。所述第一電極、第二電極和第三電極均采用硅片材料制作，第一電極和第三電極 內(nèi)側(cè)面、第二電極的兩側(cè)面均設(shè)有金屬膜。所述透氣孔以及引出孔為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。所述盲孔為圓柱體、圓錐體、3 6棱柱或棱錐體。本發(fā)明通過(guò)三個(gè)電極相互疊加構(gòu)成能夠檢測(cè)氣體、溫度和濕度的傳感器，在三個(gè) 電極上施加不同的電壓，控制電子流與離子流有效分離，獲得與氣體濃度、氣體溫度、濕度 有單值關(guān)系的離子流的輸出(圖8、圖9、圖10所示)，構(gòu)造成功三種新型碳納米管薄膜微 納米電離式氣體、氣體溫度和濕度傳感器。該新型傳感器與已有的離子化探測(cè)器色譜儀中 使用的三電極探測(cè)器相比，由于采用碳納米管薄膜做電極，碳納米管納米級(jí)的尖端曲率半 徑將探測(cè)器工作電壓，從色譜儀離子化探測(cè)器的600伏高壓降至200伏以下的安全實(shí)用范 圍。本發(fā)明的新型傳感器采用微機(jī)械加工工藝實(shí)現(xiàn)，尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要和色譜儀相 結(jié)合，可以單獨(dú)構(gòu)成三種新型碳納米管薄膜微納米電離式氣體濃度、氣體溫度和濕度傳感
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圖1是現(xiàn)有技術(shù)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 非線性氣敏特性。
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 性多值氣敏特性。圖4是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜兩電極溫度傳感器的擊穿電壓與溫度的關(guān)系。圖5是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜兩電極濕度傳感器的多值非線性濕度敏感特性。圖6是本發(fā)明碳納米管薄膜微納米電離式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明碳納米管薄膜微納米電離式傳感器立體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖8是本發(fā)明碳納米管薄膜微納米電離式傳感器輸出的氣體放電離子流與氣體 濃度的單值關(guān)系示意圖。圖9是本發(fā)明碳納米管薄膜微納米電離式傳感器輸出的氣體放電離子流與空氣 溫度的單值關(guān)系示意圖。圖10是本發(fā)明碳納米管薄膜微納米電離式傳感器輸出的氣體放電離子流與濕度 的單值關(guān)系示意圖。圖中1、第一電極；2、第二電極；3、第三電極；4、設(shè)有透氣孔的電極；5、金屬膜基 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6、圖7所示，該碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，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)表面附著有分布著碳納米管薄膜6的金屬膜基底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。三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電 極的極間距均為100 μ m ；第一電極1與第二電極2極板正對(duì)面積為100mm2，第二電極2與 第三電極3極板正對(duì)面積為120mm2。圖6所示的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器實(shí)施例中，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)表面附著有金屬膜基底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 4個(gè)引出孔，圖6、圖7 中給出了設(shè)置一個(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)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)，圖6、圖7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)置在分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底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 表面兩側(cè)及第三電極3的內(nèi)側(cè)金膜表面的兩側(cè)。本發(fā)明設(shè)有透氣孔的電極4板面采用硅片材料制作；金屬膜基底5采用鈦、鎳、金 三種金屬材料制作；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，在金屬 膜基底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。第一電極1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中的電極上若干透氣孔，便于待檢測(cè)氣體進(jìn)入電極間隙；金屬膜基底具有導(dǎo)電能力，并牢固附著在第一電極1 一側(cè)表面；第二電極2上設(shè)有正離子流弓I出 孔；第三電極3收集極通過(guò)第二電極2的引出孔，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。本發(fā)明的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，通過(guò)控制加在第一電極1和第二電 極2上的電壓，可使第一電極1和第二電極2之間的氣體產(chǎn)生放電；通過(guò)控制加在第二電極 2及第三電極3上的電壓，可將第一電極1與第二電極2間產(chǎn)生的電子與離子分離開(kāi)。電子 形成的電子流由第二電極2流回第一電極1，離子形成的離子流由第三電極3引出，流回第 一電極1。本發(fā)明的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，通過(guò)第三電極3引出離子流，可大 大減小第一電極1與第二電極2間氣體放電的不穩(wěn)定因素，獲得與濃度具有單值關(guān)系的離 子流(圖8所示)以及分別與氣體溫度、濕度具有單值關(guān)系的離子流(圖9、圖10所示)。本發(fā)明控制第二電極2電位高于第一電極1，第三電極3電位低于第二電極2并高 于第一電極1?？刂频诙姌O2與第一電極1形成電子流回路，控制第三電極3與第一電極 1形成離子流回路，實(shí)現(xiàn)將電子流與離子流分離。第一電極1在外加電壓作用下，在碳納米 管薄膜的碳納米管尖端附近產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，使第一電極1與第二電極2之間的間隙中的 被測(cè)氣體在較低電壓下電離。第一電極1與第二電極2間的帶電正離子，在第二電極2與 第三電極3極間電場(chǎng)的作用下，向第三電極3運(yùn)動(dòng)形成正離子電流。碳納米管薄膜微納米 電離式傳感器輸出的離子流與氣體濃度、氣體溫度和濕度之間，在第二電極2施加一定電 壓的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)單值關(guān)系(圖8、圖9、圖10所示)，可構(gòu)成可實(shí)用的氣體、氣體溫度和濕度 傳感器。非自持放電電壓、非自持放電暗電流與傳感器電極極間距是碳納米管薄膜微納米 電離式傳感器的特征參量。實(shí)施例2本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距 均為30 μ m ；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。第一電極1的電極表面的透氣孔有1個(gè)，透氣孔為三角形；第二電極2中心引出孔 為4個(gè)，引出孔為三角形；第三電極3盲孔的數(shù)量為4個(gè)，盲孔為圓錐體。實(shí)施例3本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距 均為250 μ m,第一電極1與第二電極2極板正對(duì)面積為170mm2，第二電極2與第三電極3極 板正對(duì)面積為190mm2。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。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.碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，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)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬 膜基底以及設(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微納米電離式傳感器，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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，其特征在于所述第 一電極與第二電極極板正對(duì)面積為0.01 170mm2，第二電極與第三電極極板正對(duì)面積為 0. 01 190mm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，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)表面附著的金屬膜基底上生長(zhǎng)或者絲網(wǎng) 印刷有碳納米管薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，其特征在于所述第二 電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，其特征在于所述第三 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)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，其特征在于所述絕緣 支柱分布于三個(gè)電極內(nèi)端面兩側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，其特征在于所述第一 電極、第二電極和第三電極均采用硅片材料制作，第一電極和第三電極內(nèi)側(cè)面、第二電極的 兩側(cè)面均設(shè)有金屬膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，其特征在于所述透氣 孔以及引出孔為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，其特征在于所述盲孔 為圓柱體、圓錐體、3 6棱柱或棱錐體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳納米管薄膜微納米電離式傳感器，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，第一電極設(shè)有透氣孔，其內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底；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。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，成本低，檢測(cè)氣體靈敏度高，線性度好，準(zhǔn)確度高，適合于推廣使用。
文檔編號(hào)G01K7/40GK102081071SQ20111003922
公開(kāi)日2011年6月1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, 王影花, 王進(jìn) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)