[发明专利]基于气体放电光谱分析的气体传感器及其检测气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种检测技术领域的气体传感器及检测方法，具体地说，涉及的是一种基于气体放电光谱分析的气体传感器及其检测气体的方法。

背景技术

气体放电光谱分析方法是检测精度和置信度最高的气体成分检测分析方法之一，在诸如航空航天、国防、公共安全、空气环境监测和土壤资源监测等等重要领域中，发挥着非常重要的作用。经过一定的改装，气体放电光谱分析装置通常还可以同时用于固态和液态样品的成分分析，因此，其多功能性使其应用范围被进一步拓宽。然而，伴随着气体传感器微型化的发展趋势，气体放电光谱分析方法却因为检测装置难于小型化，在近年来的发展非常缓慢和滞后。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利申请号：US 7,361,514，B2，名称“System and method for gas discharge spectroscopy”(气体放电光谱分析的方法和系统)，介绍了一种利用气体放电所发射出的光辐射实现气体成分分析的系统和方法，利用类似于等离子体显示器的等离子体发生装置以及阵列化的光敏装置，对气体在放电过程中辐射出的特征光辐射进行多特征识别。此技术可以使得气体放电光谱分析方法高精确度的优点得到进一步的提高，但是，这一系统仍然只能依靠较大型的设备才能够实现，而很难进行小型化，更难于实现片上化的集成制造。

检索中还发现，Ashish Modi等在《Nature(London)》(第424卷，第171-174页，2003年)上发表的“Miniaturized Ionization Gas Sensors using CarbonNanotubes”(小型化的碳纳米管电离气体传感器)，介绍了一种以多壁碳纳米管为电极的气体传感器，与没有碳纳米管的金属平板电极相比，该传感器的工作电压下降了数倍之多，从而为此类器件的微型化、片上化提供了基础。此类传感器的敏感范围很宽，原理上对任何能发生电离的气体都具有敏感性，例如该文中就报告了对惰性气体的敏感性，这是吸附式气体传感器的敏感范围所不及的。另一方面，此类器件几乎不存在中毒问题，只要短时间送风，就可以使得前一次放电的空间电荷残留消散。但仅通过文中已有的间隙击穿临界电压检测或者局部自持放电电流幅值检测，此类器件对混合气体的敏感性和检测精度无法达到气体放电光谱分析的水平。另外，作为大量中性分子与带电粒子非弹性碰撞的统计结果，仅通过文中已有的间隙击穿临界电压检测或者局部自持放电电流幅值检测，此类器件对于电离系数差别较小的两种气体的选择性不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于气体放电光谱分析的气体传感器及其检测气体的方法，将一维纳米材料作为电极材料，并形成气体放电的放电间隙，降低器件的操作电压，带通滤光片能够选择性地使得放电区域由目标气体产生的特征光辐射通过，光敏装置仅接收这一辐射并将其转换为电信号，通过检测光敏装置的电信号输出，可以定性或者定量地对目标气体的成分与浓度进行分析。该传感器能够集成化地片上制造，能够形成片上化、阵列化、微型化的气体放电光谱分析装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的一种基于气体放电光谱分析的气体传感器，包括：极化电极、栅格电极、带通滤光片和光敏装置。栅格电极、带通滤光片处于极化电极和光敏装置之间，栅格电极与极化电极之间的气体间隙构成放电区域，栅格电极具有镂空的结构，能够使放电区域内外的气体连通；带通滤光片能够选择性地使得放电区域由目标气体产生的特征光辐射通过；光敏装置仅能够接收由目标气体产生的特征辐射，并且能够将其转换为电信号；

栅格电极和带通滤光片布置于两个不同的基片上，两者之间存在气体间隙，或者布置于一个基片上；

光敏装置和带通滤光片布置于两个不同的基片上，两者之间存在气体间隙，或者布置于一个基片上；

在极化电极面向栅格电极一侧表面，布置有导体性或者半导体性的一维纳米材料或者准一维纳米材料作为极化电极的电极材料，如果极化电极电极材料不是由原位制造工艺制备时，则极化电极电极材料与基片之间布置有单层或多层的金属层。

所述的栅格电极和带通滤光片，如果是两个相互分离的部分，布置于两个不同的基片上，通过更换不同通带波长的带通滤光片，能够实现对不同目标气体的定性和定量分析。

所述的栅格电极和带通滤光片如果布置在一个基片上，带通滤光片具有镂空结构，使得放电区域内外的气体连通，通过更换与栅格电极制造于相同基片上的、不同通带波长的带通滤光片，能实现对不同目标气体的定性和定量分析。