专利名称：碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器及其浓度测量方法
技术领域：
本发明涉及气体传感领域，特别是一种基于碳纳米管薄膜及气体放电原理的三电 极二氧化硫传感器及其测量二氧化硫气体浓度的方法。
背景技术：
随着各行各业气体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3)，无法对气体浓度进行测量。美国伦斯勒工业学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的NikhilKoratkar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的碳纳米管薄膜电极传感器及其检测单一气体浓 度的方法的研究，成为亟待解决的技术问题。

发明内容
本发明的目的之一，是提供一种碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器，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，建立本发明三电极传感器收集 极收集的离子流与二氧化硫气体浓度、温度和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。
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本发明的另一目的，是提供一种基于碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量二 氧化硫气体浓度的方法，由不同极间距碳纳米管薄膜三电极传感器组成传感器阵列分别测 量待测二氧化硫气体浓度、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。本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器，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粘接有分布着碳纳米管薄膜的 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。本发明的结构特征还在于所述三电极间的极间距为30 250 μ m ；所述第一电极与第二电极极板正对面积为0. 01 17mm2，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，在电极内侧表面粘接的基底上附 着有碳纳米管薄膜；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。本发明还给出了一种基于碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量二氧化硫气 体浓度的方法，该方法包括下述步骤(1)选择三个电极中相邻两个电极的极间距设定为30 250 μ m的碳纳米管薄膜 三电极传感器；(2)分别将设定的三个不同极间距的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器、碳纳 米管薄膜三电极温度传感器和碳纳米管薄膜三电极湿度传感器放置在含有待测二氧化硫 气体的气氛中；(3)分别对三个三电极结构的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫气体传感器、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)在待测二氧化硫气体浓度、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，与相应的二氧化硫气体浓度、温度和湿度标定值，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硫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，建立二氧化硫传感器、温度传感器及湿 度传感器的测量模型；以二氧化硫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硫传感器的浓 度准确测量模型；(7)将碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器、温度传感器和湿度传感器实测时输
5出的离子流值输入步骤(6)获得的二氧化硫气体浓度准确测量模型，该模型输出二氧化硫 气体浓度的准确测量值。本发明方法特征还在于所述碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器中，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。所述建立二氧化硫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，将二氧化硫气体浓度、温度和湿 度标定值及其插值数据作为期望输出样本。基于碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量二氧化硫气体浓度的测量方法，由 不同极间距碳纳米管薄膜三电极传感器组成传感器阵列分别测量待测二氧化硫气体浓度、 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，在待测二氧化硫气体中，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硫气体浓度测量数据库，获得待测二氧化硫气体的单值气敏特 性、单值温度敏感特性、单值湿度敏感特性；根据二氧化硫气体浓度测量数据库中的数据， 基于数据融合技术，消除温度、湿度的影响，建立二氧化硫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入二氧化硫气体浓度测量模型，就可以得到二氧 化硫气体浓度的实测结果。该二氧化硫气体浓度测量方法克服了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，要求的硬件结构简单，并且成本低，检测气体灵 敏度高、准确度高，适合于推广使用。本发明所述的二氧化硫气体浓度测量方法，可实现二氧化硫气体的浓度测量，准 确度为1%。该新型浓度检测方法与已有的离子化探测器色谱仪中使用的传统三电极探测 器的浓度检测方法相比，碳纳米管薄膜三电极传感器以碳纳米管纳米级的尖端曲率半径可 实现将传感器工作电压，从离子化探测器的600伏高压降至200伏以下的安全实用范围。本 发明的新型二氧化硫气体浓度测量方法，将不同极间距的传感器阵列技术、PA级电流测量 技术、分段插值技术以及数据融合技术集成在一起，可消除温度、湿度的影响，可实现二氧 化硫气体浓度的准确测量。


图1是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是本发明碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器结构示意图。图5是本发明碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器立体结构侧视图。图6是本发明碳纳米管薄膜三电极传感器在单一气体二氧化硫中输出的气体放 电离子流与气体浓度的单值关系。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、碳纳米管薄膜基底；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发明做进一步说明。实施例1如图4、图5所示，该碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器，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，其第一电极1由内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜6的基底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。图4所示的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器在实施例中，第一电极1的电极 表面的透气孔有2个，透气孔为圆形；在该透气孔的一侧表面粘接有碳纳米管薄膜基底5， 其上分布有碳纳米管薄膜6，且该碳纳米管管口向下。第二电极2中心设有1个引出孔、且 引出孔为圆形。第三电极3收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，图4、图5中给出了设 置一个盲孔、且盲孔为圆柱体结构的实施例。绝缘支柱7分别设置在碳纳米管薄膜基底5 与第二电极2之间、第二电极2与第三电极3之间，即绝缘支柱7分布于第二电极2正对第 一电极1的碳纳米管薄膜基底两端的表面两侧及第三电极3的内侧表面的两侧。本发明设有透气孔的电极4板面与碳纳米管薄膜基底5均采用硅片材料制作；所 述碳纳米管薄膜6，可采用酞菁铁做为催化剂，并采用碳源，在基底5上生长制作碳纳米管 薄膜6，或者丝网印刷碳纳米管薄膜6。第二电极2和第三电极3均采用硅片制作。设有透 气孔的电极4和第三电极3内侧面、第二电极2的两侧面均设有金属膜。本发明第一电极1中的电极上有2个透气孔，便于待检测气体进入电极间隙；分布 着碳纳米管薄膜的硅片基底具有导电能力，并牢固粘接在第一电极内侧表面；经第二电极 2的引出孔，第三电极3收集极可收集气体电离产生的正离子流。第一电极1与第二电极3 之间、第二电极2与第三电极3之间通过绝缘支柱7相互隔离；被测气体通过传感器周边电 极间的间隙进入传感器相邻两个电极的间隙中。本发明采取上述结构的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器在测量二氧化硫气 体浓度时，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并高于第一 电极电位。第二电极与第一电极形成电子流回路，第三电极与第一电极形成离子流回路， 实现将电子流与离子流分离。碳纳米管薄膜三电极传感器输出的离子流与二氧化硫气体浓 度、气体温度、湿度之间，在第二电极施加一定电压的基础上，呈现单值关系(图6)。通过分 段插值及数据融合，实现了二氧化硫气体浓度的测量准确度。不同极间距的碳纳米管薄 膜三电极传感器阵列技术、PA级电流测量技术、分段插值技术以及数据融合技术是本发明 浓度测量方法的特征。下面通过一个具体实例，对本发明碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量二氧 化硫气体浓度的方法做进一步说明。采用极间距固定的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器，实验获得了单一气体二 氧化硫的单值气敏特性(图6所示)，传感器输出的离子流数据输入数据融合建立的二氧化 硫气体浓度测量模型，获得了准确度小于1 %的单一气体二氧化硫浓度测量值。
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图6所示的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量单一气体二氧化硫浓度实 施例中，实验环境条件为温度20. 7°C、相对湿度25. 7% RH、大气压力93. OKPa0 二氧化硫传 感器第一电极1与第二电极2极间距、第二电极2与第三电极3极间距均为200 μ m ；监测温 度用的碳纳米管薄膜三电极传感器相邻电极的极间距均为170 μ m ；监测湿度用的碳纳米 管薄膜三电极传感器相邻电极的极间距分别为200μπι、100μπι。上述三个碳纳米管薄膜三 电极传感器的第一电极1与第二电极2极板正对面积为17mm2，第二电极2与第三电极3极 板正对面积为190mm2。二氧化硫传感器第一电极阴极电压为0V，第二电极引出极加载电压 100V，第三电极收集极加载电压IOV ；温度传感器第一、第二、第三电极电压分别为0V、70V、 IOV ；湿度传感器第一、第二、第三电极电压分别为0V、90V、10V。随着二氧化硫浓度的增加， 二氧化硫传感器收集极收集到的离子流减小，离子流与二氧化硫浓度之间呈现单值下降关 系；温度、湿度传感器敏感特性与二氧化硫传感器类似。在0-737. 693ppm SO2浓度范围内， 获得了 5组实验标定数据。三个传感器离子流值作为输入样本，二氧化硫气体浓度标定值 作为期望输出样本数据。采用线性插值对5组实验标定数据插值，在0 737. 693ppm浓度 范围内进行等间距插值，并在浓度注意值(即气体浓度临界值)附近进行密集插值，获得35 组插值数据，并与5组实验标定数据组成数据库；选用35组插值数据作为训练样本，5组实 验标定数据作为检验样本，输入数据融合仪，通过训练检验，获得单一气体二氧化硫浓度测 量模型。二氧化硫浓度测量模型的线性度为0. 16%，5组检验样本的检验结果引用误差最 大值为0. 20%，达到了 的浓度测量准确度。实施例2本实施例基本结构同实施例1，所不同的是碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感 器三个电极中相邻两个电极间的极间距分别为250μπι、30μπι，第一电极1与第二电极2极 板正对面积为0. 01mm2，第二电极2与第三电极3极板正对面积为0. 01mm2。第一电极1的电极表面的透气孔有1个，透气孔为四边形、五边形或六边形；第二 电极2中心引出孔为4个，引出孔为四边形、五边形或六边形；第三电极3盲孔的数量为4 个，盲孔为3 6棱柱或棱锥体。本实施例的测量方法与实施例1基本相同，所不同的是传感器的第一电极阴极电压为0V，第二电极引出极加载电压2V，第三电极收集极 加载电压IV。实施例3本实施例基本结构同实施例1，所不同的是碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感 器三个电极中相邻两个电极间的极间距分别为250μπι、30μπι，第一电极1与第二电极2极 板正对面积为10mm2，第二电极2与第三电极3极板正对面积为100mm2。第一电极1的电极表面的透气孔有4个，透气孔为四边形、五边形或六边形；第二 电极2中心引出孔为2个，引出孔为四边形、五边形或六边形；第三电极3盲孔的数量为2 个，盲孔为3 6棱柱或棱锥体。本实施例的测量方法与实施例1基本相同，所不同的是传感器的第一电极阴极电压为0V，第二电极引出极加载电压200V，第三电极收集 极加载电压180V。本发明通过不同极间距碳纳米管薄膜三电极传感器组成传感器阵列、pA级电流检
8测系统检测传感器输出、分段插值及数据融合方法，形成一种新型、抗干扰能力强、准确度 高的二氧化硫气体浓度测量方法。传感器阵列里不同极间距的传感器，实时检测温度、湿度 的干扰影响，直接检测二氧化硫气体浓度；PA级电流检测系统可同时检测对应二氧化硫气 体浓度、温度和湿度的各传感器输出的PA级电流；分段插值及数据融合方法，可消除温度、 湿度干扰，输出准确度高的二氧化硫气体浓度测量值。 虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但上述实施例并不 用于限定本发明。在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和结构范围的情况下，对技 术特征所作的增加、变形或以本领域同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。
权利要求
1.碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器，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粘接有分布着碳纳米管薄膜的基 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。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器，其特征在于所述三 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 17mm2，第二电极与第三电极极板正对面积为0. 01 190mm2。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器，其特征在于所述第 一电极的电极表面的透气孔为1 4个，在电极内侧表面粘接的基底上附着有碳纳米管薄 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。
4.基于碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量二氧化硫浓度的方法，其特征在于， 该方法包括下述步骤(1)选择三个电极中相邻两个电极的极间距设定为30 250μ 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三电极二氧化硫传感器、碳纳米管 薄膜三电极温度传感器和碳纳米管薄膜三电极湿度传感器放置在含有待测二氧化硫气体 的气氛中；(3)分别对三个碳纳米管薄膜三电极二氧化硫气体传感器、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)在待测二氧化硫气体浓度、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 相应的二氧化硫气体浓度、温度和湿度标定值，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硫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，建立二氧化硫传感器、温度传感器及湿度传 感器的测量模型；以二氧化硫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硫传感器的浓度准 确测量模型；(7)将碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器、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)获得的二氧化硫气体浓度准确测量模型，该模型输出二氧化硫气体 浓度的准确测量值。
5.根据权利要求4所述的基于碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量二氧化硫气 体浓度的方法，其特征在于所述碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器中，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。
6.根据权利要求4所述的基于碳纳米管薄膜三电极二氧化硫传感器测量二氧化硫气体浓度的方法，其特征在于所述建立二氧化硫浓度测量数据库，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，将二氧化硫气体 浓度、温度和湿度标定值及其插值数据作为期望输出样本。
全文摘要
本发明公开了一种碳纳米管薄膜三电极二氧化硫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，其内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜的基底；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)测得值与二氧化硫气体浓度、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，建立二氧化硫气体浓度准确测量模型；6)传感器实测值输入测量模型，获得二氧化硫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。
文档编号G01N27/66GK102081068SQ20111003901
公开日2011年6月1日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者刘君华, 唐建文, 姜为华, 宋晓慧, 张勇, 张建业, 张晶园, 方静, 李昕, 牛国平, 王影花, 王晓冰, 王进 申请人:西安交通大学