本發(fā)明涉及氣體傳感領(lǐng)域，是一種可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列，在不分離混合氣體條件下直接檢測(cè)混合氣體濃度。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)多組份氣體的檢測(cè)和分析的要求不斷提高，但是現(xiàn)有的檢測(cè)手段不能滿足需要。目前能夠應(yīng)用于混合氣體在線檢測(cè)的設(shè)備有：氣相色譜儀、傳感器陣列、光譜/質(zhì)譜儀等。氣相色譜儀首先用色譜柱分離混合氣體，然后用相應(yīng)得氣體傳感器分別進(jìn)行檢測(cè)，如美國(guó)Serveron公司研制的TM8在線監(jiān)測(cè)儀，這類儀器檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜、對(duì)環(huán)境較敏感、維護(hù)困難。傳感器陣列是由各種單一氣體傳感器(如金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器、熱電傳感器、光纖傳感器等)組成陣列來(lái)檢測(cè)混合氣體，可以不分離氣體直接進(jìn)行檢測(cè)，但是這些方法檢測(cè)精度低，穩(wěn)定性差，選擇性不佳。光譜/質(zhì)譜儀是可以直接檢測(cè)混合氣體的儀器設(shè)備，如美國(guó)GE公司研制出的Kelman TRANSFIX在線監(jiān)測(cè)裝置，此類檢測(cè)儀也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。

碳納米管具有大的比表面積、極強(qiáng)的表面吸附能力、良好的導(dǎo)電性和半導(dǎo)體特性、優(yōu)良的電子場(chǎng)發(fā)射特性，使其成為制作氣體傳感器的理想氣敏材料。因此，國(guó)內(nèi)外的高校和科研機(jī)構(gòu)陸續(xù)對(duì)碳納米管氣體傳感器開(kāi)展了大量研究。2006年，Alexander等應(yīng)用不同金屬(Pd、Pt、Rh、Au)修飾的單壁碳納米管制成傳感器陣列，用于檢測(cè)H₂、CO、H₂S和NH₃混合氣體，實(shí)驗(yàn)表明Pd、Pt、Rh、Au修飾的CNT傳感器分別對(duì)H₂S、H₂、CO、NH₃敏感，但是傳感器陣列存在嚴(yán)重交叉干擾，選擇性差。上海交通大學(xué)侯中宇等在碳納米管膜上用光刻膠形成所需的電極結(jié)構(gòu)圖形，將光刻膠層作為掩膜，用反應(yīng)離子刻蝕法對(duì)碳納米管層進(jìn)行干法刻蝕，形成小間距的氣體間隙碳納米管微電極陣列。形成了簡(jiǎn)單有效的碳納米管微電極制備工藝，為碳納米管電子器件的應(yīng)用提供了低成本、工藝簡(jiǎn)單、適合批量生產(chǎn)的制備方法。2013年，張勇等人研制了一種以碳納米管薄膜為陰極的新型電離式三電極碳納米管傳感器；通過(guò)三電極結(jié)構(gòu)及獨(dú)特的電極電壓設(shè)計(jì)，引出了更多的正離子；實(shí)驗(yàn)獲得了傳感器陣列對(duì)兩組份混合氣體NO/SO₂的單值敏感特性(專利公開(kāi)號(hào)：102095791A)，在檢測(cè)氣體方面有較大優(yōu)勢(shì)。但收集電流值偏小，靈敏度不夠高。2014年，Saheed等人發(fā)表的兩電極電離式傳感器，長(zhǎng)有CNTs的硅基底作為陰極，Al板作為陽(yáng)極，50.83±0.05μm厚的聚酰亞胺薄膜作為極間絕緣材料。通過(guò)控制CNTs的生長(zhǎng)高度來(lái)控制極間距離。在空氣背景中不同濃度的He，NH₃和N₂中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了7μm極間距傳感器的擊穿電壓，獲得傳感器擊穿電壓與混合氣體濃度的關(guān)系。隨著空氣中目標(biāo)氣體He、NH₃、N₂濃度的增加，傳感器的擊穿電壓?jiǎn)握{(diào)上升或下降。然而，工作電壓較高，依舊沒(méi)有辦法構(gòu)成實(shí)用型傳感器。

研究者發(fā)現(xiàn)上述三電極傳感器(專利公開(kāi)號(hào)：102095791A)引出孔面積較大，反向電場(chǎng)范圍有限，只能收集部分正離子，還有部分正離子向陰極運(yùn)動(dòng)轟擊碳管，從而使收集電流較小，造成靈敏度低，影響了傳感器性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一，提供一種可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列，在不分離氣體的情況下測(cè)量氣體濃度，獲得了較好的單值敏感特性，具有較大的收集電流和靈敏度。同時(shí)，該傳感器陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

本發(fā)明的目的之一，是提供一種金納米孔薄膜三電極電離式傳感器，傳感器電極孔徑和極間距比值優(yōu)化，將現(xiàn)有三電極傳感器反向電場(chǎng)范圍增大，提高正離子引出數(shù)量，從而提高引出的離子流；降低了傳感器工作電壓，提高了傳感器靈敏度。

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。

一種可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列，陣列中包括多個(gè)不同極間距的金納米孔薄膜三電極電離式傳感器；

所述金納米孔薄膜三電極電離式傳感器，包括三個(gè)自下而上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)表面附著有分布著金納米孔的金屬膜基底以及設(shè)有小透氣孔的電極構(gòu)成；所述第二電極由中心設(shè)有小引出孔的引出極構(gòu)成；所述第三電極由板面設(shè)有凹槽的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過(guò)絕緣支柱相互隔離；

所述第一電極內(nèi)表面金屬膜基底上采用蒸發(fā)沉積法生長(zhǎng)金納米孔薄膜材料；

所述小透氣孔的孔徑為0.8～4mm，小引出孔的孔徑為1.2～6mm，凹槽的邊長(zhǎng)為1.2×1.2～6×8mm，槽深為200μm；

三電極之間的極間距按照小透氣孔、小引出孔的孔徑和凹槽的邊長(zhǎng)和槽深設(shè)定。

所述傳感器陣列按照多個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器并列分布，所有傳感器的第一電極制作在同一極板上，相鄰傳感器第二電極極板之間、第三電極極板之間按照設(shè)定間隔分布。

進(jìn)一步，所述傳感器陣列相鄰傳感器第二電極極板之間、第三電極極板之間間隔均為3～8mm。

進(jìn)一步，所述小透氣孔的孔徑為0.8～4mm時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔的孔徑之比為3/200～3/20。

進(jìn)一步，所述小引出孔的孔徑為1.2～6mm時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小引出孔的孔徑之比為1/100～1/10,第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔的孔徑之比為1/100～1/10。

進(jìn)一步，所述凹槽的邊長(zhǎng)和槽深分別為1.2×1.2～6×8mm和200μm時(shí)，第二電極與第三電極之間極間距與槽深之比為3/10～3/5。

進(jìn)一步，所述第一電極的電極表面的小透氣孔設(shè)有1～20個(gè)；

所述第二電極引出極的小引出孔有1～20個(gè)；

所述第三電極收集極的凹槽設(shè)有1個(gè)。

相應(yīng)地，本發(fā)明還給出了一種金納米孔薄膜三電極電離式傳感器的金納米孔制備到金屬膜基底的方法，包括下述步驟：

1)鍍膜前預(yù)處理：選用刻蝕有透氣孔的硅片作為基體并進(jìn)行鍍膜前預(yù)處理；

2)濺射：在真空條件下分別在三個(gè)基片上依次濺射鈦膜、鎳膜和金膜，三層薄膜厚度分別為50nm、400nm和125nm；

3)退火：將濺射有鈦鎳金薄膜的硅基底快速退火30～80s，退火溫度為400～500℃；

4)金納米孔材料制備：在真空度為3×10^-3Pa，在濺射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸發(fā)沉積法生長(zhǎng)金納米孔薄膜材料，金納米孔的平均尺寸為350nm，高度為1.8μm；

5)進(jìn)行微觀形貌檢測(cè)，自此完成金屬膜基底金納米孔薄膜材料的生長(zhǎng)過(guò)程。

進(jìn)一步，步驟2)中，濺射條件為：真空度為2.5×10^-3Pa，濺射溫度為30～40℃，依次濺射鈦膜、鎳膜和金膜濺射時(shí)間分別為7min、50min和13min。

進(jìn)一步，步驟4)中，蒸發(fā)沉積法生長(zhǎng)金納米孔薄膜材料沉積率為1.5nm/s，沉積時(shí)間為20min。

本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列，由n個(gè)不同極間距可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器組成傳感器陣列，分別測(cè)量待測(cè)混合氣體各組份濃度；由傳感器電壓源供電；由pA級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)傳感器輸出；調(diào)整電極間距，調(diào)整電極電壓，獲得單值敏感特性。該可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列，在不分離混合氣體獲得了較好的單值敏感特性，具有較大的收集電流和靈敏度。且要求的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，能適用多種混合氣體，靈敏度高、準(zhǔn)確度高，同時(shí)為多組份氣體檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1是可檢測(cè)多組份混合氣體傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是可檢測(cè)多組份混合氣體傳感器陣列三維展示圖。

圖3是可檢測(cè)多組份混合氣體傳感器陣列，檢測(cè)混合氣體CH₄/CO的單值敏感特性圖。

圖4是實(shí)施例1金納米孔薄膜三電極電離式CO傳感器的敏感特性圖。

圖5是實(shí)施例1金納米孔薄膜三電極電離式CH₄傳感器的敏感特性圖。

圖6是碳納米管傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是鍍金碳納米管傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是金納米孔傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是碳納米管傳感器、鍍金碳納米管傳感器和金納米孔傳感器的仿真電流密度。

圖6～8中：1、第一電極；1-1、第一電極上的小透氣孔；2、第二電極；2-1、第二電極上的小引出孔；3、第三電極；3-1、凹槽；4、設(shè)有小透氣孔的電極；5、金屬膜基底；6、碳納米管薄膜；7、金納米孔薄膜；8、絕緣支柱；9、鍍金碳納米管薄膜。

具體實(shí)施方式

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。

如圖1所示的可檢測(cè)多組份混合氣體傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器陣列按照多個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器并列分布，所有傳感器的第一電極制作在同一極板上，傳感器陣列相鄰第二電極極板之間間隔為3mm，相鄰第三電極極板之間間隔為3mm。

單體金納米孔三電極電離式傳感器具有如下結(jié)構(gòu)：包括三個(gè)自下而上依次分布的第一電極1、第二電極2和第三電極3，第一電極1由內(nèi)表面附著有分布著金納米孔薄膜7的金屬膜基底5以及設(shè)有小透氣孔的電極4構(gòu)成；第二電極2由中心設(shè)有小引出孔2-1的引出極構(gòu)成；第三電極3由板面設(shè)有凹槽3-1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，絕緣支柱8分別設(shè)置在分布著金納米孔薄膜的金屬膜基底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8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)。

如圖2所示，可選擇n個(gè)相鄰電極的極間距按照小透氣孔、小引出孔的孔徑和槽的邊長(zhǎng)和槽深設(shè)定金納米孔三電極電離傳感器組成傳感器陣列。其中，n個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器第一電極制作在同一極板上，相鄰傳感器第二電極之間、相鄰傳感器第三電極之間間隔均為3～8mm。第二極板和第三極板的數(shù)量由待測(cè)參量決定。

其中，小透氣孔1-1的孔徑設(shè)定在0.8～4mm、小引出孔2-1的孔徑為1.2～6mm，凹槽3-1的邊長(zhǎng)和槽深分別為1.2×1.2～6×8mm和200μm。當(dāng)小透氣孔的孔徑為0.8～4mm時(shí)，第一極間距與第二極之間極間距與小透氣孔的孔徑之比為3/200～3/20；當(dāng)小引出孔的孔徑為1.2～6mm時(shí)，第一極間距與第二極間距之間極間距與小引出孔的孔徑之比為1/100～1/10，第二極間距與第三極之間極間距與小引出孔的孔徑之比為1/100～1/10；當(dāng)槽的邊長(zhǎng)和槽深分別為1.2×1.2～6×8mm和200μm時(shí)，第二極間距與第三極之間極間距與槽深之比為3/10～3/5。

在本結(jié)構(gòu)中，第一電極的電極表面的小透氣孔有1～20個(gè)，小透氣孔形狀可以是圓形的；第二電極引出極的小引出孔設(shè)有1～20個(gè)，小引出孔形狀可以是圓形的；第三電極收集極的凹槽設(shè)有1個(gè)，凹槽形狀可以是矩形的。

本發(fā)明設(shè)有透氣孔的電極板面采用硅片材料制作；金屬膜基底采用鈦、鎳、金三種金屬材料制作；金納米孔薄膜采用金源，在金屬膜基底上生長(zhǎng)制作金納米孔薄膜；第二電極和第三電極均采用硅片制作。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。

本實(shí)施例金納米孔薄膜三電極電離式傳感器的金納米孔制備到金屬膜基底的步驟如下：

1)鍍膜前預(yù)處理：選用刻蝕有透氣孔的硅片作為基體并進(jìn)行鍍膜前預(yù)處理；

2)濺射：在真空度為2.5×10^-3Pa，30～40℃下分別在三個(gè)基片上依次濺射鈦膜、鎳膜和金膜，濺射時(shí)間分別為10min、40min和20min，三層薄膜厚度分別為50nm、400nm和125nm；

3)退火：將濺射有鈦鎳金薄膜的硅基底快速退火30～80s，退火溫度為400～500℃；

4)金納米孔材料制備：在真空度為3×10^-3Pa，在濺射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸發(fā)沉積法生長(zhǎng)金納米孔薄膜材料，沉積率為1.5nm/s，沉積時(shí)間為20min，金納米孔的平均尺寸為350nm，高度為1.8mm；

5)進(jìn)行微觀形貌檢測(cè)。

該金納米孔薄膜三電極電離式傳感器收集電流高，工作電壓低，檢測(cè)氣體靈敏度高，成本低，壽命長(zhǎng)。

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

本實(shí)施例可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列(結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示)，由兩個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器組成。兩個(gè)傳感器的陰極制作在同一塊極板上，兩個(gè)引出極和收集極具有相同的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)傳感器具有不同的極間距。其中一個(gè)傳感器的第一電極的電極表面有2個(gè)Φ3mm的圓形透氣孔，第一電極與第二電極之間極間距與透氣孔孔徑之比為1/40；第二電極中心設(shè)有9個(gè)Φ1.2mm的圓形引出孔，第一電極與第二電極之間極間距與引出孔孔徑之比為1/16，第二電極與第三電極之間的極間距為1/16；第三電極收集極設(shè)置了1個(gè)長(zhǎng)寬為6×8mm、200μm的深槽與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，第二電極與第三電極極間距與深槽槽深之比為3/8。絕緣支柱分別設(shè)置在分布著金納米孔薄膜的金屬膜基底與第二電極之間、第二電極與第三電極之間，即絕緣支柱分布于第二電極正對(duì)第一電極的表面兩端及第三電極的內(nèi)側(cè)金膜表面的兩端。第一個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器用于檢測(cè)CO的濃度。

另一個(gè)傳感器的結(jié)構(gòu)與第一個(gè)傳感器的結(jié)構(gòu)相同，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為19/600和19/240；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為19/240和19/40。第二個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器用于檢測(cè)CH₄的濃度。

傳感器陣列中兩個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器的第一電極制作在同一極板上，相鄰第二電極之間間隔為3mm，相鄰第三電極之間間隔為3mm。

本發(fā)明設(shè)有透氣孔的電極4板面采用硅片材料制作；金納米孔薄膜基底5為金屬膜基底；所述金納米孔薄膜7，使用蒸發(fā)沉積法，在金屬膜基底5上生長(zhǎng)制作金納米孔薄膜7。第二電極2和第三電極3均采用硅片制作。設(shè)有透氣孔的第一電極1和第三電極3內(nèi)側(cè)面、第二電極2的兩側(cè)面均鍍有金屬膜。

本實(shí)施例制作金納米孔三電極電離式傳感器的金納米孔制備到金屬膜基底步驟如下：

選用刻蝕有透氣孔的硅片作為基體并進(jìn)行鍍膜前預(yù)處理；在真空度為2.5×10^-3Pa，30℃下分別在三個(gè)基片上依次濺射鈦膜、鎳膜和金膜，濺射時(shí)間分別為10min、40min和20min，三層薄膜厚度分別為50nm、400nm和125nm；將濺射有鈦鎳金薄膜的硅基底快速退火30s，退火溫度為500℃；金納米孔材料制備：在真空度為3×10^-3Pa，在濺射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸發(fā)沉積法生長(zhǎng)金納米孔薄膜材料，沉積率為1.5nm/s，沉積時(shí)間為20min，金納米孔的平均尺寸為350nm，高度為1.8μm。

下面通過(guò)一個(gè)具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明傳感器陣列檢測(cè)混合氣體濃度做進(jìn)一步說(shuō)明。

采用金納米孔薄膜三電極電離式傳感器陣列，實(shí)驗(yàn)獲得了甲烷CH₄與一氧化碳CO多組份混合氣體的單值氣敏特性，可測(cè)量一氧化碳與甲烷多組份混合氣體濃度值。

其金納米孔薄膜三電極電離式傳感器第一電極1中的電極上有2個(gè)小透氣孔，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一側(cè)表面；第二電極2上設(shè)有正離子流小引出孔；第三電極3收集極通過(guò)第二電極2的小引出孔，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2之間、第二電極2與第三電極3之間通過(guò)絕緣支柱8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)明采取上述結(jié)構(gòu)的金納米孔薄膜三電極電離式傳感器在測(cè)量氣體濃度時(shí)，第二電極電位高于第一電極電位，第三電極電位低于第二電極電位并高于第一電極電位。第二電極與第一電極形成以電子流為主導(dǎo)的回路，第三電極與第一電極形成以離子流為主導(dǎo)的回路，工作電壓降低，引出孔徑的減小使得反向電場(chǎng)范圍增大，增加了收集離子流的能力，提高了傳感器靈敏度。金納米孔薄膜三電極電離式傳感器輸出的收集電流與氣體濃度，在第二電極施加一定電壓的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)單值氣體濃度敏感關(guān)系。

實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為溫度50℃、相對(duì)濕度25.2％RH、大氣壓力101KPa。兩個(gè)測(cè)量多組份混合氣體濃度傳感器的第一電極1陰極電壓均為0V，第二電極2引出極均加載電壓250V，第三電極3收集極均加載電壓1V。在CH₄氣體0～1000ppm濃度范圍內(nèi)以及CO氣體0～5000ppm的濃度范圍內(nèi)，獲得了36組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了CH₄與CO的單值敏感特性，可以在不分離混合氣體條件下檢測(cè)氣體。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)獲得了傳感器陣列對(duì)兩組份混合氣體CH₄/CO的單值敏感特性。隨著CH₄與CO氣體濃度的升高，兩個(gè)測(cè)量多組份氣體濃度傳感器的收集極收集到的離子流均減小，離子流隨多組份氣體濃度增加呈現(xiàn)單值下降的關(guān)系。圖4和圖5所示，分別出示了傳感器陣列檢測(cè)一氧化碳與甲烷多組份混合氣體濃度的單值關(guān)系示意圖。

本次發(fā)明可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列在陰極表面分布著金納米孔薄膜，不僅起到了改變陰極導(dǎo)電特性的作用，同時(shí)改變了場(chǎng)發(fā)射特性；引出極雖然增加孔的數(shù)量卻縮小了孔徑改變了電場(chǎng)分布。傳感器電極孔徑和極間距比值優(yōu)化，增強(qiáng)了粒子擴(kuò)散效果，能夠收集更多的正離子，達(dá)到增加收集電流，提高靈敏度的效果。

在氮?dú)鈿怏w中，仿真計(jì)算碳納米管傳感器、鍍金碳納米管傳感器和上述電極結(jié)構(gòu)的金納米孔傳感器的收集極平均電流密度。仿真計(jì)算中，碳納米管傳感器(結(jié)構(gòu)如圖6所示)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)表面粘接有分布著碳納米管薄膜的基底以及設(shè)有2個(gè)直徑4mm透氣圓孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有1個(gè)直徑6mm引出圓孔的引出極構(gòu)成；第三電極由板面設(shè)有1個(gè)6×8mm、200μm深槽的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過(guò)絕緣支柱相互隔離。仿真計(jì)算中，鍍金碳納米管傳感器(結(jié)構(gòu)如圖7所示)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)表面粘接有分布著鍍金碳納米管薄膜的基底以及設(shè)有2個(gè)直徑5mm透氣半圓孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有6個(gè)直徑2mm引出圓孔的引出極構(gòu)成；第三電極由板面光滑的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過(guò)絕緣支柱相互隔離。仿真計(jì)算中，碳納米管傳感器、鍍金碳納米管傳感器和上述電極結(jié)構(gòu)的金納米孔傳感器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

仿真計(jì)算的收集極平均電流密度如圖9所示。金納米孔傳感器的平均收集電流密度為2.26×10^-5A/m²，鍍金碳納米管傳感器的平均收集電流密度為2.07×10^-6A/m²，碳納米管的平均收集電流密度為1.96×10^-7A/m²。從圖中可以看出，金納米孔傳感器的平均收集電流密度大于鍍金碳納米管傳感器的平均收集電流密度，鍍金碳納米管傳感器的平均收集電流密度大于碳納米管的平均收集電流密度。金納米孔傳感器收集電流密度較大的原因之一，是傳感器極板分布數(shù)量較多、孔徑較小的小孔。仿真結(jié)果說(shuō)明，金納米孔傳感器結(jié)構(gòu)有利于正離子的引出，提高收集電流。

本發(fā)明可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列、鍍金碳納米管陣列和碳納米管傳感器陣列(專利公開(kāi)號(hào)：102095791A)檢測(cè)混合氣體的收集電流和靈敏度的對(duì)比如表1所示。表1中，本發(fā)明多組份混合氣體傳感器陣列靈敏度是甲烷傳感器的靈敏度；鍍金碳納米管傳感器陣列混合氣體濃度檢測(cè)方法的靈敏度是甲烷傳感器的靈敏度；碳納米管傳感器陣列混合氣體濃度檢測(cè)方法的靈敏度是一氧化氮傳感器的靈敏度。本發(fā)明可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列的收集電流對(duì)比鍍金碳納米管陣列提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，靈敏度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列的收集電流對(duì)比碳納米管傳感器陣列提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，靈敏度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果說(shuō)明，本發(fā)明可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列收集電流大，靈敏度高，與現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)相比有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列實(shí)施例中，兩個(gè)傳感器有著相同的結(jié)構(gòu)，不同的極間距。該可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列中的極間距按照透氣孔、引出孔的孔徑和凹槽的邊長(zhǎng)和槽深設(shè)定。一種可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列中，其中一個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器第一電極的電極表面有20個(gè)小透氣孔，孔徑為0.8mm。第二電極中心有20個(gè)小引出孔，孔徑為1.2mm。第三電極有1個(gè)長(zhǎng)寬為6×8mm、200μm的深槽。此時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為3/20和1/10；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為1/10和3/5。

另一個(gè)傳感器第一電極的電極表面有20個(gè)小透氣孔，孔徑為0.8mm。第二電極中心有20個(gè)小引出孔，孔徑為1.2mm。第三電極有1個(gè)長(zhǎng)寬為6×8mm、200μm的深槽。此時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為3/20和1/10；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為1/10和3/5。

兩個(gè)傳感器陣列相鄰第二電極極板之間、相鄰傳感器第三電極極板之間間隔均為4mm。

本實(shí)施例金納米孔制備到金屬膜基底步驟如實(shí)施例1所述。

實(shí)施例2與實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)條件相同，可合理推斷出采用實(shí)施例2的傳感器能夠獲得相同實(shí)驗(yàn)效果，滿足要求。

實(shí)施例3

本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列實(shí)施例中，兩個(gè)傳感器有著相同的結(jié)構(gòu)，不同的極間距?？蓹z測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列中的極間距按照透氣孔、引出孔的孔徑和槽的邊長(zhǎng)和槽深設(shè)定。一種可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列中，其中一個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器第一電極的電極表面有1個(gè)小透氣孔，孔徑為4mm。第二電極中心有1個(gè)小引出孔，孔徑為6mm。第三電極有1個(gè)長(zhǎng)寬為6×8mm、200μm的深槽。此時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為3/200和1/100；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為1/100和3/10。

另一個(gè)傳感器第一電極的電極表面有1個(gè)小透氣孔，孔徑為4mm。第二電極中心有1個(gè)小引出孔，孔徑為6mm。第三電極有1個(gè)長(zhǎng)寬為6×8mm、200μm的深槽。此時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為3/20和1/10；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為1/10和3/5。

兩個(gè)傳感器陣列相鄰第二電極極板之間、相鄰傳感器第三電極極板之間間隔均為8mm。

本實(shí)施例金納米孔制備到金屬膜基底步驟如實(shí)施例1所述。

實(shí)施例3與實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)條件相同，可合理推斷出采用實(shí)施例3的傳感器能夠獲得相同實(shí)驗(yàn)效果，滿足要求。

實(shí)施例4

本實(shí)施例可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列(結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示)，由三個(gè)金納米孔三電極電離式傳感器組成。三個(gè)傳感器的陰極制作在同一塊極板上，三個(gè)引出極和收集極具有相同的結(jié)構(gòu)，三個(gè)傳感器具有不同的極間距。本實(shí)施例的傳感器陣列無(wú)需分離混合氣體可直接檢測(cè)H₂/C₂H₂/C₂H₄的濃度。三個(gè)傳感器有著相同的結(jié)構(gòu)，不同的極間距。該可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列中的極間距按照透氣孔、引出孔的孔徑和槽的邊長(zhǎng)和槽深設(shè)定。

一種可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列中，第一個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器第一電極的電極表面有2個(gè)小透氣孔，孔徑為3mm。第二電極中心有9個(gè)小引出孔，孔徑為2mm時(shí)。第三電極有1個(gè)長(zhǎng)寬為1.2×1.2mm、200μm的深槽。此時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為1/40和1/16；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為1/16和3/8。第一個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器用于檢測(cè)C₂H₂的濃度。

第二個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器第一電極的電極表面有2個(gè)小透氣孔，孔徑為3mm。第二電極中心有9個(gè)小引出孔，孔徑為2mm時(shí)。第三電極有1個(gè)長(zhǎng)寬為1.2×1.2mm、200μm的深槽。此時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為3/100和3/40；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為3/40和9/20。第二個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器用于檢測(cè)C₂H₄的濃度。

第三個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器第一電極的電極表面有2個(gè)小透氣孔，孔徑為3mm。第二電極中心有9個(gè)小引出孔，孔徑為2mm時(shí)。第三電極有1個(gè)長(zhǎng)寬為1.2×1.2mm、200μm的深槽。此時(shí)，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔和小引出孔直徑之比分別為1/25和1/10；第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔直徑和收集極深槽的孔深之比分別為1/10和3/5。第三個(gè)金納米孔薄膜三電極電離式傳感器用于檢測(cè)H₂的濃度。

三個(gè)傳感器陣列相鄰第二電極極板之間、相鄰傳感器第三電極極板之間間隔均為7mm。

本實(shí)施例金納米孔制備到金屬膜基底步驟如實(shí)施例1所述。

實(shí)施例4與實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)條件相同，可合理推斷出采用實(shí)施例4的傳感器無(wú)需分離混合氣體可直接檢測(cè)H₂/C₂H₂/C₂H₄的濃度，滿足要求。

本發(fā)明可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列在陰極表面分布著金納米孔薄膜，不僅起到了改變陰極導(dǎo)電特性的作用，同時(shí)改變了場(chǎng)發(fā)射特性；引出極雖然增加孔的數(shù)量卻縮小了孔徑改變了電場(chǎng)分布，增強(qiáng)了粒子擴(kuò)散效果，能夠收集更多的正離子，達(dá)到增加收集電流，提高靈敏度的效果。一種可檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列在材質(zhì)，結(jié)構(gòu)，制備方法上都有較大的改進(jìn)。

下述表1給出了本發(fā)明傳感器陣列檢測(cè)多組份混合氣體傳感器陣列、鍍金碳納米管陣列和碳納米管傳感器陣列檢測(cè)混合氣體時(shí)，收集電流和靈敏度的對(duì)比。

其中最大靈敏度的計(jì)算式：

(式中：i—不同氣體濃度點(diǎn)序號(hào)，i≥2；I_i—傳感器收集電流平均值；—?dú)怏w濃度值。)

表1

從上述表1可以看出，本發(fā)明檢測(cè)多組份混合氣體的傳感器陣列解決了現(xiàn)有傳感器收集電流較小，造成靈敏度低，影響了傳感器的性能的問(wèn)題。本發(fā)明的收集電流達(dá)188.50nA，平均靈敏度達(dá)1.7×10^-1nA/ppm，最大靈敏度達(dá)265.7nA/ppm。

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。