本发明专利技术公开了一种碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器及其浓度测量方法，传感器包括三个依次分布的第一、第二和第三电极，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；第二电极中心设有引出孔；第三电极板面设有盲孔；三个电极相互隔离。方法包括：1)放置三个不同极间距传感器；2)在电极上施加电压；3)测量各传感器离子流值；4)测得值与二氧化氮气体浓度、温度、湿度标定值组成样本，并与插值样本，构建气体浓度测量数据库；5)构建数据融合仪，建立二氧化氮气体浓度准确测量模型；6)传感器实测值输入测量模型，获得二氧化氮气体浓度准确测量值。该传感器检测气体灵敏度高，线性度好，准确度高。
Carbon nanotube film ionization type NO2 nitrogen sensor and concentration measuring method thereof
The invention discloses a carbon nanotube film ionization sensor and nitrogen dioxide concentration measuring method, sensor including three are distributed the first second and third electrode, the first electrode is provided with ventilating holes, the inner surface of metal film distribution of carbon nanotube film substrate; second electrode lead out hole is arranged in the center of the board surface is provided with third electrodes; the blind hole; three electrodes separated. The method includes: 1) placed in three different polar distance sensor; 2) voltage applied on the electrodes; 3) measuring the ion current sensor value; 4) measured calibration concentration, temperature, humidity and gas composition of the sample, and the sample interpolation, build gas concentration measurement database; 5) to construct data fusion the establishment of instrument, the concentration of nitrogen dioxide gas measurement model; 6) input measurement model of sensor measurements, obtained the concentration of nitrogen dioxide gas measurement value. The sensor has high sensitivity, good linearity and high accuracy.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气体传感领域，特别是一种基于碳纳米管薄膜及气体放电原理的电离 式二氧化氮传感器及其测量二氧化氮浓度的方法。
技术介绍
随着各行各业气体测量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、湿度测量领域展 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，以其测量灵敏度高、测量气体范围宽、响应快等优点，成为气体、温度、湿度测量领域 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；放电电压和放电电流较大；无法实现碳纳米管 薄膜阳极对单一气体的测量。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碳纳米管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。因此，目前对敏感各类单一气体包括二氧化氮的碳纳米管薄膜电离式传感器及其 测量二氧化氮单一气体浓度的方法的研究，成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一，是提供一种碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器，将传统碳 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，建立本专利技术电离式二氧化氮传 感器收集极收集的离子流与二氧化氮气体浓度、温度、湿度的单值对应关系，克服碳纳米管 薄膜两电极传感器气体浓度敏感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。本专利技术的另一目的，是提供一种基于碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器检测二 氧化氮气体浓度的方法，由不同极间距碳纳米管薄膜电离式传感器组成传感器阵列，分别 测量待测二氧化氮气体浓度、气体温度与湿度；该浓度测量方法要求的硬件结构简单，采用 数据融合算法，检测气体准确度高。本专利技术的目的是通过下述技术方案来实现的。碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器，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。本专利技术的结构特征还在于所述三个电极中相邻两个电极间的极间距为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个引出孔；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。本专利技术还给出了一种基于碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器测量二氧化氮气 体浓度的方法，该方法包括下述步骤(1)选择三个电极相邻两个电极的极间距设定为30 250 μ m的碳纳米管薄膜电 离式传感器；(2)分别将设定的三个不同极间距的碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器、碳纳 米管薄膜电离式温度传感器、碳纳米管薄膜电离式湿度传感器放置在含有待测二氧化氮气 体的气氛中；(3)分别对三个碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器、温度传感器和湿度传感器 的第一电极加载电压为0V，第二电极加载电压2 200V，第三电极加载电压1 180V ；(4)在待测二氧化氮气体浓度、温度和湿度测量范围内，对应不同的浓度、温度和 湿度标定值，分别测量步骤O)中所有传感器输出的气体放电离子流值；(5)将步骤(4)中在浓度、温度和湿度测量范围内测得的所有传感器输出离子流 值，与相应的二氧化氮气体浓度、温度和湿度标定值，组成不同的样本，组成不同的实验标 定样本，然后采用分段插值技术对实验标定样本进行插值，获得插值数据，得到插值样本， 并根据包含了实验标定样本及插值样本的所有样本组建二氧化氮气体浓度测量数据库；(6)采用数据融合技术，构建数据融合仪，建立二氧化氮传感器、温度传感器及湿 度传感器的测量模型；以二氧化氮气体浓度测量数据库中的数据作为数据融合仪的输入样 本和期望输出样本，并以量程范围内不同的数据分别作为数据融合仪的训练样本和检验样 本进行训练和检验，检验结果满足实测误差要求时，数据融合仪输出二氧化氮传感器的浓 度准确测量模型；(7)将碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器、温度传感器和湿度传感器实测时输出的离子流值输入步骤(6)获得的二氧化氮气体浓度准确测量模型，该模型输出二氧化氮 气体浓度的准确测量值。本专利技术方法特征还在于所述碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器中，第二电极电位高于第一电极电位， 第三电极电位低于第二电极电位且高于第一电极电位。所述建立二氧化氮气体浓度测量数据库，是将实验标定数据与插值数据组成数据 库，将各传感器输出离子流值及其插值数据作为输入样本，将二氧化氮气体浓度、温度和湿 度标定值及其插值数据作为期望输出样本。基于碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器的二氧化氮气体浓度测量方法，由不同 极间距碳纳米管薄膜电离式传感器组成传感器阵列分别测量待测二氧化氮气体浓度、温度 与湿度；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，在待测二氧化氮气体中，在温度、湿度环境中进行传感器的标定实验；基于分段 插值技术对实验标定数据进行插值，获得插值数据；将包含了实验标定数据及插值数据的 所有数据组成二氧化氮气体浓度测量数据库，获得待测二氧化氮气体的单值气敏特性、单 值温度敏感特性、单值湿度敏感特性；根据二氧化氮气体浓度测量数据库中的数据，基于分 段插值技术及数据融合技术，消除温度、湿度的影响，建立二氧化氮气体传感器的浓度准确 测量模型；将实测时传感器阵列的输出实时地输本文档来自技高网...
【技术保护点】
碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器，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，方静，王进，张晶园，姜为华，宋晓慧，王影花，张建业，牛国平，王晓冰，李昕，唐建文，刘君华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87
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