專利名稱：碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器及其濃度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感領(lǐng)域，特別是一種基于碳納米管薄膜及氣體放電原理的電離 式二氧化氮傳感器及其測(cè)量二氧化氮濃度的方法。
背景技術(shù)：
隨著各行各業(yè)氣體測(cè)量的迫切需要以及納米技術(shù)的發(fā)展，納米傳感器已獲得長足 的進(jìn)展。尤其是隨著20世紀(jì)末期碳納米管的發(fā)現(xiàn)，碳納米管在氣體、溫度、濕度測(cè)量領(lǐng)域展 現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。碳納米管氣敏、溫敏、濕敏傳感器中的碳納米管薄膜兩電極電離式傳 感器，以其測(cè)量靈敏度高、測(cè)量氣體范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，成為氣體、溫度、濕度測(cè)量領(lǐng)域 的研究熱點(diǎn)。碳納米管薄膜兩電極電離式氣敏傳感器基于氣體放電原理，克服了其它類型 的碳納米管氣敏傳感器在被測(cè)氣體中飽和中毒的缺點(diǎn)，氣體濃度測(cè)量范圍及被測(cè)氣體種類 范圍更寬。用碳納米管作為敏感材料構(gòu)成的氣敏、溫敏、濕敏傳感器，具有常規(guī)傳感器不可 替代的優(yōu)點(diǎn)一是碳納米管的比表面積大，在傳感器整體尺寸較小的情況下，可大大提高電 極的面積；二是基于碳納米管納米級(jí)的尖端曲率半徑，使傳感器工作電壓極大降低，并在碳 納米管尖端附近獲得極強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，在低電壓下使被測(cè)氣體電離；三是大大縮小了傳感 器的尺寸，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。因此，它在生物、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事、反恐等方面具有廣泛的發(fā) 展前途。現(xiàn)有的碳納米管薄膜兩電極電離式傳感器包括由西安交通大學(xué)的劉君華、張勇、 李昕、朱長純教授等人在2001年的第14屆IVMC國際真空微電子學(xué)國際會(huì)議公開的碳納米 管薄膜兩電極電離式氣體傳感器(圖1所示)。該傳感器工作之后由于極間放電后空間電 荷難以擴(kuò)散，傳感器難以恢復(fù)到初始狀態(tài)，并且傳感器擊穿電壓、擊穿電流與氣體濃度之間 呈現(xiàn)多值關(guān)系(圖2，圖幻，無法對(duì)氣體濃度進(jìn)行測(cè)量。美國倫斯勒工業(yè)學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute)的Nikhil Koratkar與Pulickel M Ajayan教授等人研制了碳納 米管薄膜陽極兩電極氣體傳感器。該傳感器擊穿電壓與氣體濃度之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，擊 穿放電電流與氣體濃度之間線性誤差較大；放電電壓和放電電流較大；無法實(shí)現(xiàn)碳納米管 薄膜陽極對(duì)單一氣體的測(cè)量。浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院的惠國華、陳裕泉教 授在120微米極間距的條件下對(duì)碳納米管薄膜陰極兩電極氣體傳感器進(jìn)行了研制，研究了 傳感器在三種單一氣體中的放電特性，由于靈敏度較低，沒有構(gòu)成測(cè)量濃度的氣體傳感器。因此，目前對(duì)敏感各類單一氣體包括二氧化氮的碳納米管薄膜電離式傳感器及其 測(cè)量二氧化氮單一氣體濃度的方法的研究，成為亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一，是提供一種碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器，將傳統(tǒng)碳 納米管薄膜兩電極傳感器的輸出電流分為電子流與離子流，建立本發(fā)明電離式二氧化氮傳 感器收集極收集的離子流與二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度、濕度的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，克服碳納米管 薄膜兩電極傳感器氣體濃度敏感特性及濕敏特性的多值非線性問題。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，檢測(cè)氣體靈敏度高。本發(fā)明的另一目的，是提供一種基于碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器檢測(cè)二 氧化氮?dú)怏w濃度的方法，由不同極間距碳納米管薄膜電離式傳感器組成傳感器陣列，分別 測(cè)量待測(cè)二氧化氮?dú)怏w濃度、氣體溫度與濕度；該濃度測(cè)量方法要求的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用 數(shù)據(jù)融合算法，檢測(cè)氣體準(zhǔn)確度高。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器，其特征在于包括三個(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)表面附著有分布著碳納米管薄膜的 金屬膜基底以及設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成； 第三電極由板面設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱相互隔離。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征還在于所述三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距為30 250 μ m ；所述第一電極與第二電極極板正對(duì)面積為0. 01 170mm2，第二電極與第三電極極 板正對(duì)面積為0. 01 190mm2。所述第一電極的電極表面的透氣孔為1 4個(gè)，在電極內(nèi)側(cè)表面附著的金屬膜基 底上生長或者絲網(wǎng)印刷有碳納米管薄膜；所述第二電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔；所述第三電極收集極盲孔與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)。本發(fā)明還給出了一種基于碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器測(cè)量二氧化氮?dú)?體濃度的方法，該方法包括下述步驟(1)選擇三個(gè)電極相鄰兩個(gè)電極的極間距設(shè)定為30 250 μ m的碳納米管薄膜電 離式傳感器；(2)分別將設(shè)定的三個(gè)不同極間距的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器、碳納 米管薄膜電離式溫度傳感器、碳納米管薄膜電離式濕度傳感器放置在含有待測(cè)二氧化氮?dú)?體的氣氛中；(3)分別對(duì)三個(gè)碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器 的第一電極加載電壓為0V，第二電極加載電壓2 200V，第三電極加載電壓1 180V ；(4)在待測(cè)二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度和濕度測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同的濃度、溫度和 濕度標(biāo)定值，分別測(cè)量步驟O)中所有傳感器輸出的氣體放電離子流值；(5)將步驟(4)中在濃度、溫度和濕度測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)得的所有傳感器輸出離子流 值，與相應(yīng)的二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度和濕度標(biāo)定值，組成不同的樣本，組成不同的實(shí)驗(yàn)標(biāo) 定樣本，然后采用分段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)，得到插值樣本， 并根據(jù)包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本及插值樣本的所有樣本組建二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫；(6)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立二氧化氮傳感器、溫度傳感器及濕 度傳感器的測(cè)量模型；以二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合儀的輸入樣 本和期望輸出樣本，并以量程范圍內(nèi)不同的數(shù)據(jù)分別作為數(shù)據(jù)融合儀的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣 本進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果滿足實(shí)測(cè)誤差要求時(shí)，數(shù)據(jù)融合儀輸出二氧化氮傳感器的濃 度準(zhǔn)確測(cè)量模型；(7)將碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的離子流值輸入步驟(6)獲得的二氧化氮?dú)怏w濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型，該模型輸出二氧化氮 氣體濃度的準(zhǔn)確測(cè)量值。本發(fā)明方法特征還在于所述碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器中，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且高于第一電極電位。所述建立二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫，是將實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)與插值數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù) 庫，將各傳感器輸出離子流值及其插值數(shù)據(jù)作為輸入樣本，將二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度和濕 度標(biāo)定值及其插值數(shù)據(jù)作為期望輸出樣本。基于碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器的二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量方法，由不同 極間距碳納米管薄膜電離式傳感器組成傳感器陣列分別測(cè)量待測(cè)二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度 與濕度；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，在待測(cè)二氧化氮?dú)怏w中，在溫度、濕度環(huán)境中進(jìn)行傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；基于分段 插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)；將包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)及插值數(shù)據(jù)的 所有數(shù)據(jù)組成二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫，獲得待測(cè)二氧化氮?dú)怏w的單值氣敏特性、單 值溫度敏感特性、單值濕度敏感特性；根據(jù)二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，基于分 段插值技術(shù)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)，消除溫度、濕度的影響，建立二氧化氮?dú)怏w傳感器的濃度準(zhǔn)確 測(cè)量模型；將實(shí)測(cè)時(shí)傳感器陣列的輸出實(shí)時(shí)地輸入二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量模型，就可以得 到二氧化氮?dú)怏w濃度的實(shí)測(cè)結(jié)果。該二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量方法克服了碳納米管薄膜兩電 極傳感器氣敏特性及濕敏特性的多值非線性問題，要求的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能測(cè)量二氧化氮 氣體，采用數(shù)據(jù)融合算法，成本低，檢測(cè)氣體靈敏度高、準(zhǔn)確度高，適合于推廣使用。本發(fā)明所述的二氧化氮?dú)怏w濃度檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)二氧化氮?dú)怏w的濃度測(cè)量，準(zhǔn) 確度為1%。該新型氣體濃度檢測(cè)方法與已有的離子化探測(cè)器色譜儀中使用的傳統(tǒng)三電極 探測(cè)器的氣體濃度檢測(cè)方法相比，由于采用碳納米管薄膜做電極，傳感器對(duì)二氧化氮?dú)怏w 具有高靈敏度以及的濃度測(cè)量準(zhǔn)確度。并且碳納米管薄膜電離式傳感器以碳納米管納 米級(jí)的尖端曲率半徑可實(shí)現(xiàn)將傳感器工作電壓，從離子化探測(cè)器的600伏高壓降至200伏 以下的安全實(shí)用范圍。本發(fā)明的新型二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量方法將不同極間距的傳感器陣 列技術(shù)、PA級(jí)電流測(cè)量技術(shù)、分段插值技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)集成在一起，可消除溫度、濕 度的影響，可實(shí)現(xiàn)二氧化氮?dú)怏w濃度的準(zhǔn)確測(cè)量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜陰極兩電極傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜兩電極氣體傳感器的擊穿電壓與氣體濃度的多值 非線性氣敏特性。圖3是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜兩電極氣體傳感器的擊穿電流與氣體濃度的非線 性多值氣敏特性。圖4是本發(fā)明碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器立體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖6是本發(fā)明碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器輸出的氣體放電離子流與二 氧化氮?dú)怏w濃度的單值關(guān)系；
圖中1、第一電極；2、第二電極；3、第三電極；4、設(shè)有透氣孔的電極；5、金屬膜基 底；6、碳納米管薄膜；7、絕緣支柱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1如圖4、圖5所示，該碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器，包括由三個(gè)依次自上 而下相互疊加的電極構(gòu)成，該三個(gè)相互疊加電極分別設(shè)有第一電極1、第二電極2和第三電 極3，所述第一電極由內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底5以及設(shè)有透氣孔 的電極4構(gòu)成；第二電極2由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極3由電極板面設(shè) 有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱7相互隔離。圖4所示的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器實(shí)施例中，第一電極1的電極表 面的透氣孔有2個(gè)，透氣孔為圓形；在該透氣孔的一側(cè)表面附著有金屬膜基底5，其上分布 有碳納米管薄膜6，且該碳納米管管口向下。第二電極2中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔，圖4、圖 5中給出了設(shè)置一個(gè)引出孔、且引出孔為圓形的實(shí)施例。第三電極3收集極盲孔與第二電極 的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)，圖4、圖5中給出了設(shè)置一個(gè)盲孔、且盲孔為圓柱 體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。絕緣支柱7分別設(shè)置在分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底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7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)。本發(fā)明第一電極1采用硅片材料制作，第一電極1的一側(cè)表面附著有金屬膜基底 5 ；所述碳納米管薄膜6，可采用酞菁鐵做為催化劑，并采用碳源，在金屬膜基底5上生長制 作碳納米管薄膜6，或者絲網(wǎng)印刷碳納米管薄膜6。第二電極2和第三電極3均采用硅片制 作。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)面均設(shè)有金屬膜。本發(fā)明第一電極1中的電極上有2個(gè)透氣孔，便于待檢測(cè)氣體進(jìn)入電極間隙；金屬 膜基底5附著在第一電極1 一側(cè)表面；第二電極2上有引出孔；第三電極3收集極可收集氣 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 過絕緣支柱7相互隔離；被測(cè)氣體通過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)的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器在測(cè)量二氧化氮?dú)?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電子流回路，第三電極與第一電極形成離子流回路， 實(shí)現(xiàn)將電子流與離子流分離。碳納米管薄膜電離式傳感器輸出的離子流與二氧化氮?dú)怏w濃 度、氣體溫度和濕度之間，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 (圖6)、單值溫度敏感關(guān)系、單值濕度敏感關(guān)系。通過分段插值及數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了二氧化 氮?dú)怏w濃度的測(cè)量準(zhǔn)確度。不同極間距的碳納米管薄膜電離式傳感器陣列技術(shù)、PA級(jí) 電流測(cè)量技術(shù)、分段插值技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)是本發(fā)明濃度測(cè)量方法的特征。下面通過一個(gè)具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器檢測(cè)二氧 化氮?dú)怏w濃度的方法做進(jìn)一步說明。采用極間距固定的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器，實(shí)驗(yàn)獲得了單一氣體二氧化氮的單值氣敏特性(圖6所示)，傳感器輸出的離子流輸入數(shù)據(jù)融合建立的二氧化氮濃 度測(cè)量模型，獲得了準(zhǔn)確度小于1 %的單一氣體二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量值。圖6所示的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器檢測(cè)二氧化氮?dú)怏w濃度的實(shí)施 例中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為溫度40. 7°C、相對(duì)濕度18. 5% RH、大氣壓力93. 5KPa。碳納米管薄膜 電離式二氧化氮傳感器三個(gè)電極相鄰兩個(gè)電極間的極間距均為200μπι ；監(jiān)測(cè)溫度用的碳 納米管薄膜電離式傳感器相鄰電極的極間距均為170 μ m ；監(jiān)測(cè)濕度用的碳納米管薄膜電 離式傳感器相鄰電極的極間距分別為200μπι、100μπι。上述三個(gè)碳納米管薄膜電離式傳感 器的第一電極1與第二電極2極板正對(duì)面積為170mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面 積為190mm2。二氧化氮傳感器第一電極1陰極電壓為0V，第二電極2引出極加載電壓130V， 第三電極3收集極加載電壓10V。溫度傳感器第一、第二、第三電極電壓分別為0V、70V、IOV ； 濕度傳感器第一、第二、第三電極電壓分別為0V、90V、10V。隨著二氧化氮?dú)怏w濃度的升高， 收集極收集到的離子流減小，離子流隨二氧化氮濃度增加呈現(xiàn)單值下降的關(guān)系；溫度、濕度 傳感器敏感特性與二氧化氮傳感器類似。在0 734. 795ppm 二氧化氮濃度范圍內(nèi)，獲得了 10組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。三個(gè)傳感器離子流值作為輸入樣本，單一氣體二氧化氮濃度標(biāo)定值作 為期望輸出樣本數(shù)據(jù)。采用線性插值對(duì)對(duì)10組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)插值，在0 734. 795ppm 濃度范圍內(nèi)以5ppm為間距進(jìn)行等間距插值，并在注意值(即氣體濃度臨界值)附近進(jìn)行密 集插值，共獲得266組插值數(shù)據(jù)，并與10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫；選用266組插值數(shù)據(jù)與1 組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)共267組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，采用數(shù)據(jù)融合技 術(shù)，獲得二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量模型。二氧化氮濃度測(cè)量模型的線性度為0. 185%，9組檢 驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0. 187%，達(dá)到了 的二氧化氮濃度測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)施例2本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感 器的三個(gè)電極相鄰兩個(gè)電極間的極間距分別為250μπι、30μπι，第一電極1與第二電極2極 板正對(duì)面積為0. 01mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為0. 01mm2。第一電極1的電極表面的透氣孔有1個(gè)，透氣孔為四邊形、五邊形或六邊形；第二 電極2中心引出孔為4個(gè)，引出孔為四邊形、五邊形或六邊形；第三電極3盲孔的數(shù)量為4 個(gè)，盲孔為3 6棱柱或棱錐體。本實(shí)施例的檢測(cè)方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器的第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極 加載電壓2V，第三電極收集極加載電壓IV。實(shí)施例3本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感 器的三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距分別為250 μ m、30 μ m，第一電極1與第二電極2 極板正對(duì)面積為10mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為100mm2。第一電極1的電極表面的透氣孔有4個(gè)，透氣孔為四邊形、五邊形或六邊形；第二 電極2中心引出孔為2個(gè)，引出孔為四邊形、五邊形或六邊形；第三電極3盲孔的數(shù)量為2 個(gè)，盲孔為3 6棱柱或棱錐體。本實(shí)施例的檢測(cè)方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器的第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極加載電壓200V，第三電極收集極加載電壓180V。本發(fā)明通過不同極間距碳納米管薄膜電離式傳感器組成傳感器陣列、pA級(jí)電流 測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)傳感器輸出、分段插值及數(shù)據(jù)融合方法，形成一種新型、可以測(cè)量二氧化氮?dú)?體、抗干擾能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高的二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量方法。傳感器陣列里不同極間距的傳 感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度、濕度的干擾影響，直接檢測(cè)二氧化氮?dú)怏w濃度；PA級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)可 同時(shí)檢測(cè)對(duì)應(yīng)二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度和濕度的各傳感器輸出的PA級(jí)電流；分段插值及數(shù) 據(jù)融合方法，可消除溫度、濕度干擾，輸出準(zhǔn)確度高的二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量值。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。
權(quán)利要求
1.碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器，其特征在于包括三個(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)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金 屬膜基底以及設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第 三電極由板面設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱相互隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器，其特征在于所述三 個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距為30 250 μ m ；所述第一電極與第二電極極板正對(duì)面 積為0. 01 170mm2，第二電極與第三電極極板正對(duì)面積為0. 01 190mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器，其特征在于所述第 一電極的電極表面的透氣孔為1 4個(gè)，在電極內(nèi)側(cè)表面附著的金屬膜基底上生長或者絲 網(wǎng)印刷有碳納米管薄膜；所述第二電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔；所述第三電極收集極盲孔與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)。
4.基于碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器的二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量方法，其特征在 于，該方法包括下述步驟(1)選擇三個(gè)電極相鄰兩個(gè)電極的極間距設(shè)定為30 250μ m的碳納米管薄膜電離式 傳感器；(2)分別將設(shè)定的三個(gè)不同極間距的碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器、碳納米管 薄膜電離式溫度傳感器和碳納米管薄膜電離式濕度傳感器，放置在含有待測(cè)二氧化氮?dú)怏w 的氣氛中；(3)分別對(duì)三個(gè)碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器的第 一電極加載電壓為0V，第二電極加載電壓2 200V，第三電極加載電壓1 180V ；(4)在待測(cè)二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度和濕度測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同的濃度、溫度和濕度 標(biāo)定值，分別測(cè)量步驟O)中所有傳感器輸出的氣體放電離子流值；(5)將步驟中在濃度、溫度和濕度測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)得的所有傳感器輸出離子流值， 與相應(yīng)的二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度和濕度標(biāo)定值，組成不同的樣本，組成不同的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣 本，然后采用分段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)，得到插值樣本，并根 據(jù)包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本及插值樣本的所有樣本組建二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫；(6)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立二氧化氮傳感器、溫度傳感器及濕度傳 感器的測(cè)量模型；以二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合儀的輸入樣本和 期望輸出樣本，并以量程范圍內(nèi)不同的數(shù)據(jù)分別作為數(shù)據(jù)融合儀的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本進(jìn) 行訓(xùn)練和檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果滿足實(shí)測(cè)誤差要求時(shí)，數(shù)據(jù)融合儀輸出二氧化氮傳感器的濃度準(zhǔn) 確測(cè)量模型；(7)將碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的 離子流值輸入步驟(6)獲得的二氧化氮?dú)怏w濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型，該模型輸出二氧化氮?dú)怏w 濃度的準(zhǔn)確測(cè)量值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器的二氧化氮?dú)怏w 濃度測(cè)量方法，其特征在于所述碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器中，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且高于第一電極電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器的二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量方法，其特征在于所述建立二氧化氮?dú)怏w濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫，是將實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)與 插值數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫，將各傳感器輸出離子流值及其插值數(shù)據(jù)作為輸入樣本，將二氧化氮 氣體濃度、溫度和濕度標(biāo)定值及其插值數(shù)據(jù)作為期望輸出樣本。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳納米管薄膜電離式二氧化氮傳感器及其濃度測(cè)量方法，傳感器包括三個(gè)依次分布的第一、第二和第三電極，第一電極設(shè)有透氣孔，其內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底；第二電極中心設(shè)有引出孔；第三電極板面設(shè)有盲孔；三個(gè)電極相互隔離。方法包括1)放置三個(gè)不同極間距傳感器；2)在電極上施加電壓；3)測(cè)量各傳感器離子流值；4)測(cè)得值與二氧化氮?dú)怏w濃度、溫度、濕度標(biāo)定值組成樣本，并與插值樣本，構(gòu)建氣體濃度測(cè)量數(shù)據(jù)庫；5)構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立二氧化氮?dú)怏w濃度準(zhǔn)確測(cè)量模型；6)傳感器實(shí)測(cè)值輸入測(cè)量模型，獲得二氧化氮?dú)怏w濃度準(zhǔn)確測(cè)量值。該傳感器檢測(cè)氣體靈敏度高，線性度好，準(zhǔn)確度高。
文檔編號(hào)G01N27/66GK102081067SQ201110038488
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者劉君華, 唐建文, 姜為華, 宋曉慧, 張勇, 張建業(yè), 張晶園, 方靜, 李昕, 牛國平, 王影花, 王曉冰, 王進(jìn) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)