一种可检测多组份混合气体的传感器阵列制造技术

本发明专利技术为一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，由n个不同极间距的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器组成。传感器包括三个自下而上依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极由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的电极构成；第二电极由中心设有小引出孔的引出极构成；第三电极由板面设有槽的收集极构成；三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；n个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极制作在同一极板上；三电极之间的极间距按照透气孔和引出孔的孔径以及槽的边长和槽深设定。本发明专利技术不需要分离混合气体，通过改变极间距识别不同组分气体，通过电流检测各组份浓度，与现有技术对比有较大的收集电流和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体传感领域，是一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，在不分离混合气体条件下直接检测混合气体浓度。
技术介绍
随着科学技术的进步和工业生产的发展，对多组份气体的检测和分析的要求不断提高，但是现有的检测手段不能满足需要。目前能够应用于混合气体在线检测的设备有：气相色谱仪、传感器阵列、光谱/质谱仪等。气相色谱仪首先用色谱柱分离混合气体，然后用相应得气体传感器分别进行检测，如美国Serveron公司研制的TM8在线监测仪，这类仪器检测过程复杂、对环境较敏感、维护困难。传感器阵列是由各种单一气体传感器(如金属氧化物半导体传感器、电化学传感器、热电传感器、光纤传感器等)组成阵列来检测混合气体，可以不分离气体直接进行检测，但是这些方法检测精度低，稳定性差，选择性不佳。光谱/质谱仪是可以直接检测混合气体的仪器设备，如美国GE公司研制出的Kelman TRANSFIX在线监测装置，此类检测仪也具有结构复杂、价格昂贵等缺点。碳纳米管具有大的比表面积、极强的表面吸附能力、良好的导电性和半导体特性、优良的电子场发射特性，使其成为制作气体传感器的理想气敏材料。因此，国内外的高校和科研机构陆续对碳纳米管气体传感器开展了大量研究。2006年，Alexander等应用不同金属(Pd、Pt、Rh、Au)修饰的单壁碳纳米管制成传感器阵列，用于检测H2、CO、H2S和NH3混合气体，实验表明Pd、Pt、Rh、Au修饰的CNT传感器分别对H2S、H2、CO、NH3敏感，但是传感器阵列存在严重交叉干扰，选择性差。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。2013年，张勇等人研制了一种以碳纳米管薄膜为阴极的新型电离式三电极碳纳米管传感器；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；实验获得了传感器阵列对两组份混合气体NO/SO2的单值敏感特性(专利公开号：102095791A)，在检测气体方面有较大优势。但收集电流值偏小，灵敏度不够高。2014年，Saheed等人发表的两电极电离式传感器，长有CNTs的硅基底作为阴极，Al板作为阳极，50.83±0.05μm厚的聚酰亚胺薄膜作为极间绝缘材料。通过控制CNTs的生长高度来控制极间距离。在空气背景中不同浓度的He，NH3和N2中，实验测试了7μm极间距传感器的击穿电压，获得传感器击穿电压与混合气体浓度的关系。随着空气中目标气体He、NH3、N2浓度的增加，传感器的击穿电压单调上升或下降。然而，工作电压较高，依旧没有办法构成实用型传感器。研究者发现上述三电极传感器(专利公开号：102095791A)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。
技术实现思路
本专利技术的目的之一，提供一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，在不分离气体的情况下测量气体浓度，获得了较好的单值敏感特性，具有较大的收集电流和灵敏度。同时，该传感器阵列结构简单，成本低。本专利技术的目的之一，是提供一种金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，传感器电极孔径和极间距比值优化，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，从而提高引出的离子流；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。一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，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；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电极构成；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凹槽的收集极构成；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0.8～4mm，小引出孔的孔径为1.2～6mm，凹槽的边长为1.2×1.2～6×8mm，槽深为200μm；三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和凹槽的边长和槽深设定。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0.8～4mm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3/200～3/20。进一步，所述小引出孔的孔径为1.2～6mm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1/100～1/10,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1/100～1/10。进一步，所述凹槽的边长和槽深分别为1.2×1.2～6×8mm和200μm时，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之比为3/10～3/5。进一步，所述第一电极的电极表面的小透气孔设有1～20个；所述第二电极引出极的小引出孔有1～20个；所述第三电极收集极的凹槽设有1个。相应地，本专利技术还给出了一种金纳米孔薄膜三电极电离式传感器的金纳米孔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1.8μm；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：本专利技术可检测多组份混合气体的传感器阵列，由n个不同极间距可检测多组份混合气体的传感器组成传感器阵列，分别测量待测混合气体各组份浓度；由传感器电压源供电；由pA级电流测量系统检测传感器输出；调整电极间距，调整电极电压，获得单值敏感特性。该可检测多组份混合气体的传感器阵列，在不分离混合气体获得了较好的单值敏感特性，具有较大的收集电流和灵敏度。且要求的硬件结构简单，成本低，能适用多种混合气体，灵敏度高、准确度高，同时为多组份气体检测奠定了基础。附图说明图1是可检测多组份混合气体传感器的立体结构示意图。图2是可检测多组份混合气体传感器阵列三维展示图。图3是可检测多组份混合气体传感器阵列，检测混合气体CH4/CO的单值敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，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；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电极构成；所述第二电极由中心设有引出孔的小引出极构成；所述第三电极由板面设有凹槽的收集极构成；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0.8～4mm，小引出孔的孔径为1.2～6mm，凹槽的边长为1.2×1.2～6×8mm，槽深为200μm；三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和凹槽的边长和槽深设定。

【技术特征摘要】
1.一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，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；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电极构成；所述第二电极由中心设有引出孔的小引出极构成；所述第三电极由板面设有凹槽的收集极构成；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0.8～4mm，小引出孔的孔径为1.2～6mm，凹槽的边长为1.2×1.2～6×8mm，槽深为200μm；三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和凹槽的边长和槽深设定。2.根据权利要求1所述的可检测多组份混合气体的传感器阵列，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所述的可检测多组份混合气体的传感器阵列，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所述的可检测多组份混合气体的传感器阵列，其特征在于，所述小透气孔的孔径为0.8～4mm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3/200～3/20。5.根据权利要求1所述的可检测多组份混合气体的传感器阵列，其特征在于，所述小引出孔的孔径为1.2～6mm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1/100～1/1...

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