具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列制造技术

本发明专利技术公开了一种具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，有n个不同极间距的传感器，一个传感器检测温度，收集电流值随着温度的增加而增加。其余多个传感器检测混合气体浓度，收集电流值随着气体浓度的增加而减小。每个传感器包括第一、第二和第三电极，第一电极内表面附着有分布着金纳米孔的金属膜基底及设有小透气孔，n个传感器的第一电极制作在同一极板上；第二电极设有小引出孔；第三电极设有深槽；三电极通过绝缘支柱隔离；每个传感器之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。该传感器阵列具有工作电压小、收集电流高及灵敏度高的优点。可以同时检测各组分气体浓度和温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体传感领域，特别是一种具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列。
技术介绍
对混合气体的分析是科学研究、生产过程和环境检测的一个重要环节。目前对混合气体检测方法最常用的是气相色谱法，但是气相色谱法操作复杂，设备昂贵，且无法实现在线测量，其应用受到很大限制。随着国内外研究的不断深入，通过使用传感器阵列提取特征进行气体辨识成为混合气体传感技术的热点。气体传感器阵列(电子鼻)技术可克服气相色谱法的上述缺点，实现对混合气体的连续、在线、原位测量。电子鼻识别气味的主要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度。例如，一号气体可在某个传感器上产生高响应，而对其他传感器则是低响应；同样，二号气体产生高响应的传感器对一号气体则不敏感，归根结底，整个传感器阵列对不同气体的响应是不同的。正是这种区别，才使系统能根据传感器的响应图案来识别气味。但是，电子鼻系统不能有效的消除温度对气体传感器性能的影响，不具有温度补偿功能。北京航空航天大学的黄小燕、方向阳、赵智勇利用5支半导体气体传感器组成气体传感器阵列，建立实时数据采集系统，结合特征提取和模式识别算法，研制出了一种对3种可燃性气体进行实时检测的电子鼻系统。该系统可准确的检测甲烷、丙烷和氢气混合气体中各组分的气体浓度值。但是，该系统只能在恒定温度下对混合气体进行检测，无法消除温度对该系统的影响，不具有温度补偿功能。电子科技大学太惠玲等优选CO和H2气体敏感的半导体气体传感器组成阵列，建立实时数据采集系统，结合BP神经网络模式识别技术，实现了混合气体组分的定量分析。但是实验是在恒定温度的条件下进行的，没有考虑温度对实验结果的影响不具有温度补偿的功能。因此，目前对具有温度补偿功能的混合气体测量传感器阵列的研究，成为亟待解决的技术问题。上海交通大学侯中宇等在碳纳米管膜上用光刻胶形成所需的电极结构图形，将光刻胶层作为掩膜，用反应离子刻蚀法对碳纳米管层进行干法刻蚀，形成小间距的气体间隙碳纳米管微电极阵列。形成了简单有效的碳纳米管微电极制备工艺，为碳纳米管电子器件的应用提供了低成本、工艺简单、适合批量生产的制备方法。西安交通大学张勇等人研制了一种以碳纳米管薄膜为阴极的碳纳米管传感器(图1)；通过三电极结构及独特的电极电压设计，引出了更多的正离子；基于图1传感器结构西安交通大学张勇、张晶园、宋晓慧等人于2011年提出了碳纳米管薄膜三电极传感器阵列及混合气体浓度检测方法(ZL201110039018.9)，但该传感器引出孔面积较大，反向电场范围有限，只能收集部分正离子，还有部分正离子向阴极运动轰击碳管，从而使收集电流较小，造成灵敏度低，影响了传感器性能。本专利技术在此基础上对传感器结构进行了优化，研制出一种具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，阵列中一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器检测温度，其余多个传感器检测混合气体浓度；检测混合气体浓度的气体传感器的收集电流值随着气体浓度的增加而减小，检测温度的温度传感器的收集电流值随着温度的增加而增加；本专利技术的另一目的是提供一种具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，在不同环境温度下，各组分气体传感器及温度传感器输出收集电流与气体浓度及温度值存在一一对应关系。本专利技术的另一目的是提供一种金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，引出极设有小引出孔，将现有三电极传感器反向电场范围增大，提高正离子引出数量，从而提高引出的收集电流；降低了传感器工作电压，提高了传感器灵敏度。本专利技术的目的是通过下述技术方案来实现的：具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，包括多个不同极间距的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器；其中，一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器检测温度，其余多个传感器检测混合气体浓度；检测混合气体浓度的气体传感器的收集电流值随着气体浓度的增加而减小，检测温度的温度传感器的收集电流值随着温度的增加而增加；所述金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，包括三个自下而上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附着有分布着金纳米孔的金属膜基底以及设有小透气孔的阴极构成；所述第二电极由中心设有小引出孔的引出极构成；所述第三电极由板面设有深槽的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；所述第一电极内表面金属膜基底上采用蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料；所述小透气孔的孔径为0.6～3.5mm，小引出孔的孔径为1.1～5.5mm，深槽的边长为1.1×1.1～6.5×8mm，深为200μm；三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。所述传感器阵列按照多个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器并列分布，所有传感器的第一电极制作在同一极板上，相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间按照设定间隔分布。进一步，所述传感器阵列相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间间隔均为3～8mm。进一步，所述小透气孔的孔径为0.6～3.5mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔的孔径之比为3/175～1/4。进一步，所述小引出孔的孔径为1.1～5.5mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/275～15/110。第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为3/275～15/110。进一步，所述深槽的边长为1.1×1.1～6.5×8mm，深200μm时，第二极间距与第三极间距之间间距与深槽的槽深之比为3/10～3/4。进一步，所述第一电极的电极表面的小透气孔设有1～18个；所述第二电极小引出极的引出孔1～18个；所述第三电极小收集极的深槽设有1个。相应地，本专利技术给出了一种金纳米孔薄膜材料制备到金属膜基底的方法，包括下述步骤：1)镀膜前预处理：选用刻蚀有透气孔的硅片作为基体并进行镀膜前预处理；2)溅射：在真空条件下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm；3)退火：将溅射有钛镍金薄膜的硅基底快速退火30～80s，退火温度为400～500℃；4)金纳米孔材料制备：在真空度为3×10-3Pa，在溅射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料，金纳米孔的平均尺寸为350nm，高度为1.8mm；5)进行微观形貌检测，自此完成金属膜基底金纳米孔薄膜材料的生长过程。进一步，步骤2)中，溅射条件为：真空度为2.5×10-3Pa，溅射温度为30～40℃，依次溅射钛膜、镍膜和金膜溅射时间分别为7min、50min和13min。进一步，步骤4)中，蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料沉积率为1.5nm/s，沉积时间为20min。本专利技术具有以下技术效果：(1)本专利技术具有温度补偿功能的检测混合气体的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，获得的收集电流与混合气体各组分浓度在不同温度下具有不同的单值敏感特性曲面。本专利技术具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，通过电流检测气体浓度，与碳纳米管现有技术相比，该传感器阵列的灵敏度高近一个数量级(见表1)；不需要分离混合气体，通过电流检测各组分浓度；本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，其特征在于：阵列中包括多个不同极间距的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器；其中，一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器检测温度，其余多个传感器检测混合气体浓度；检测混合气体浓度的气体传感器的收集电流值随着气体浓度的增加而减小，检测温度的温度传感器的收集电流值随着温度的增加而增加；所述金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，包括三个自下而上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附着有分布着金纳米孔的金属膜基底以及设有小透气孔的阴极构成；所述第二电极由中心设有小引出孔的引出极构成；所述第三电极由板面设有深槽的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；所述第一电极内表面金属膜基底上采用蒸发沉积法制备金纳米孔薄膜材料；所述小透气孔的孔径为0.6～3.5mm，小引出孔的孔径为1.1～5.5mm，深槽的边长为1.1×1.1～6.5×8mm，深为200μm；三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。

【技术特征摘要】
1.具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，其特征在于：阵列中包括多个不同极间距的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器；其中，一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器检测温度，其余多个传感器检测混合气体浓度；检测混合气体浓度的气体传感器的收集电流值随着气体浓度的增加而减小，检测温度的温度传感器的收集电流值随着温度的增加而增加；所述金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，包括三个自下而上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附着有分布着金纳米孔的金属膜基底以及设有小透气孔的阴极构成；所述第二电极由中心设有小引出孔的引出极构成；所述第三电极由板面设有深槽的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；所述第一电极内表面金属膜基底上采用蒸发沉积法制备金纳米孔薄膜材料；所述小透气孔的孔径为0.6～3.5mm，小引出孔的孔径为1.1～5.5mm，深槽的边长为1.1×1.1～6.5×8mm，深为200μm；三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和深槽的边长、深度设定。2.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，其特征在于：所述传感器阵列按照多个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器并列分布，所有传感器的第一电极制作在同一极板上，相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间按照设定间隔分布。3.根据权利要求2所述的具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，其特征在于：所述传感器阵列相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间间隔均为3～8mm。4.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，其特征在于：所述小透气孔的孔径为0.6～3.5mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔的孔径之比为3/175～1/4。5.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的金纳米孔薄膜三电极电离式传...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，程珍珍，梁冰点，潘志刚，张嘉祥，张健鹏，童佳明，陈麒宇，张晶园，王小华，刘定新，杨爱军，贺永宁，李昕，荣命哲，陈晓文，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61