碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器，包括三个自上而下依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，第一电极设有透气孔，其内表面附着有分布着碳纳米管薄膜的金属膜基底；第二电极由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。该传感器结构简单，尺寸小，成本低，检测气体灵敏度高，线性度好，准确度高，适合于推广使用。

Carbon nanotube film micro nano ionization sensor

The invention discloses a carbon nanotube film micro nano ionization sensor, including three from top to bottom distribution of the first electrodes, second electrodes and third electrodes, a first electrode is provided with ventilating holes, the inner surface of metal film distribution of carbon nanotube film substrate; the second electrode is arranged in the center hole plate which leads to lead the third electrode plate is provided with a blind hole; collector; the three electrodes are isolated by insulating pillar. The utility model has the advantages of simple structure, small size, low cost, high sensitivity, good linearity and high accuracy, and is suitable for popularization and use.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微纳米传感器制造
，特别是一种采用碳纳米管薄膜的、具有 单值输入输出特性、对气体浓度、温度、湿度具有敏感特性的电离式传感器。
技术介绍
随着工业生产和环境检测的迫切需要以及纳米技术的发展，纳米传感器已获得长 足的进展。尤其是随着20世纪末期碳纳米管的发现，碳纳米管在气体、温度、湿度检测领域 展现出诱人的应用前景。碳纳米管气敏、温敏、湿敏传感器中的碳纳米管薄膜两电极电离式 传感器，以其检测灵敏度高、检测气体范围宽、响应快等优点，成为气体、温度、湿度检测领 域的研究热点。碳纳米管薄膜两电极电离式气敏传感器基于气体放电原理，克服了其它类 型的碳纳米管气敏传感器在被测气体中饱和中毒的缺点，气体浓度测量范围及被测气体种 类范围更宽。用碳纳米管作为敏感材料构成的气敏、温敏、湿敏传感器，具有常规传感器不 可替代的优点一是碳纳米管的比表面积大，在传感器整体尺寸较小的情况下，可大大提高 电极的面积；二是基于碳纳米管纳米级的尖端曲率半径，使传感器工作电压极大降低，并在 碳纳米管尖端附近获得极强的电场强度，在低电压下使被测气体电离；三是大大缩小了传 感器的尺寸，动态响应快。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事、反恐等方面具有广泛的 发展前途。现有的碳纳米管薄膜两电极电离式传感器包括由西安交通大学的刘君华、张勇、 李昕、朱长纯教授等人在2001年的第14届IVMC国际真空微电子学国际会议公开的碳纳米 管薄膜两电极电离式气体传感器(图1所示)。该传感器工作之后由于极间放电后空间电 荷难以扩散，传感器难以恢复到初始状态，并且传感器击穿电压、击穿电流与气体浓度之间 呈现多值关系(图2，图幻，无法对气体浓度进行测量。美国伦斯勒工业学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的Nikhil Koratkar与Pulickel M Ajayan教授等人研制了碳纳 米管薄膜阳极CNTFA(carbon nanotube film anode)两电极气体传感器。该传感器击穿电 压与气体浓度之间呈现非线性关系，击穿放电电流与气体浓度之间线性误差较大；同时该 传感器必须与色谱仪联用，用CNTFA替代传统的色谱仪中的气体探测器，采用色谱柱分离 技术，来解决CNTFA对混合气体的识别与浓度测量问题；该传感器放电电压和放电电流都 较大；而且无法实现CNTFA对单一气体与混合气体的测量。浙江大学生物医学工程与仪器 科学学院的惠国华、陈裕泉教授在120微米极间距的条件下对CNT薄膜阴极两电极气体传 感器进行了研制，研究了传感器在三种单一气体中的放电特性，由于灵敏度较低，没有构成 测量浓度的气体传感器。并研究了 CNT薄膜阴极两电极传感器的温敏特性(图4)和湿敏 特性(图5)，即空气中击穿电压与温度、湿度的关系。该两电极传感器在温度为10摄氏度 时击穿电压高达360伏，温度为60摄氏度时击穿电压也在150伏以上；击穿电压与湿度具 有多值非线性特性，没有构成碳纳米管薄膜两电极电离式温度和湿度传感器。因此，目前对各类气体敏感的碳纳米管薄膜电离式气体、温度和湿度传感器的研 制成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器，将碳纳米管薄膜两 电极传感器的输出电流分为电子流与离子流，建立本专利技术碳纳米管薄膜微纳米电离式传感 器收集极收集的离子流与气体浓度、湿度的单值对应关系，克服碳纳米管薄膜两电极传感 器气敏特性及湿敏特性的多值非线性问题。该传感器结构简单，成本低，检测气体灵敏度 高、准确度高，适合于推广使用。本专利技术的目的是通过下述技术方案来实现的。碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器，其特征在于包括三个自上而下依次分布的 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碳纳米管薄膜的金 属膜基底以及设有透气孔的电极构成；第二电极由中心设有透气孔的引出极极板构成；第 三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。本专利技术进一步的特征在于所述三个电极中相邻两个电极的极间距为30 250 μ m。所述第一电极与第二电极极板正对面积为0. 01 170mm2，第二电极与第三电极极 板正对面积为0. 01 190mm2。所述第一电极的电极表面的透气孔为1 4个，在电极内侧表面附着的金属膜基 底上生长或者丝网印刷有碳纳米管薄膜。所述第二电极引出极中心设有1 4个透气孔。所述第三电极收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1 4个。所述绝缘支柱分布于三个电极内端面两侧。所述第一电极、第二电极和第三电极均采用硅片材料制作，第一电极和第三电极 内侧面、第二电极的两侧面均设有金属膜。所述透气孔以及引出孔为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。所述盲孔为圆柱体、圆锥体、3 6棱柱或棱锥体。本专利技术通过三个电极相互叠加构成能够检测气体、温度和湿度的传感器，在三个 电极上施加不同的电压，控制电子流与离子流有效分离，获得与气体浓度、气体温度、湿度 有单值关系的离子流的输出(图8、图9、图10所示)，构造成功三种新型碳纳米管薄膜微 纳米电离式气体、气体温度和湿度传感器。该新型传感器与已有的离子化探测器色谱仪中 使用的三电极探测器相比，由于采用碳纳米管薄膜做电极，碳纳米管纳米级的尖端曲率半 径将探测器工作电压，从色谱仪离子化探测器的600伏高压降至200伏以下的安全实用范 围。本专利技术的新型传感器采用微机械加工工艺实现，尺寸小，结构简单，不需要和色谱仪相 结合，可以单独构成三种新型碳纳米管薄膜微纳米电离式气体浓度、气体温度和湿度传感ο附图说明图1是现有技术碳纳米管薄膜阴极两电极传感器结构示意图。图2是现有技术碳纳米管薄膜两电极气体传感器的击穿电压与气体浓度的多值 非线性气敏特性。图3是现有技术碳纳米管薄膜两电极气体传感器的击穿电流与气体浓度的非线 性多值气敏特性。图4是现有技术碳纳米管薄膜两电极温度传感器的击穿电压与温度的关系。图5是现有技术碳纳米管薄膜两电极湿度传感器的多值非线性湿度敏感特性。图6是本专利技术碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器结构示意图。图7是本专利技术碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器立体结构侧视图。图8是本专利技术碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器输出的气体放电离子流与气体 浓度的单值关系示意图。图9是本专利技术碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器输出的气体放电离子流与空气 温度的单值关系示意图。图10是本专利技术碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器输出的气体放电离子流与湿度 的单值关系示意图。图中1、第一电极；2、第二电极；3、第三电极；4、设有透气孔的电极；5、金属膜基 底；6、碳纳米管薄膜；7、绝缘支柱。具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1如图6、图7所示，该碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器，包括由三个依次自上而 下相互叠加的电极构成，该三个相互叠加电极分别设有第一电极1、第二电极2和第三电极 3，所述第一电极1由内表面附着有分布着碳纳米管薄膜6的金属膜基底5以及设有透气孔 的电极4构成；第二电极2由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极3由电极板面设 有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱7相互隔离。三个电极中相邻两个电 极的极间距均为本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器，其特征在于：包括三个自上而下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碳纳米管薄膜的金属膜基底以及设有透气孔的电极构成；第二电极由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，王影花，王进，张晶园，宋晓慧，姜为华，方静，张建业，唐建文，李昕，刘君华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87