[发明专利]直热式碳纳米管气体传感器及敏感膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管敏感膜气体传感器，特别涉及直热式碳纳米管气体传感器及敏感膜的制备方法。

背景技术

在工业生产、科学研究中，几乎所有的参数获取都依靠传感器和检测仪表。即使在日常生活中，人们也越来越离不开传感器和检测仪表，比如气体传感器，在一辆普通家用轿车上大约安装十几只气体传感器。

气体传感器主要有热导检测型、电化学型、离子检测型和固态半导体型等，热导检测器具有性能稳定、线性范围宽、对所有物质均有响应的优点，但分辩率低；电化学型气体传感器性能较好，但由于其机理的限制，工作寿命短，而且价格昂贵，产品价格大约5000-8000元/支；氢焰离子化传感器选择性差，可检测的气体种类太少，并且测量时需要大量危险的氢储备箱，所以目前已经用的很少。固态半导体传感器具有体积小、价格低、功耗低、灵敏度高和稳定性好等优点，是未来传感器的发展趋势。然而为了提高分子间的化学反应活性和材料的灵敏度，半导体传感器需要工作在较高温度下(200℃——600℃)，此时其稳定性和灵敏度都将降低，且寿命变短。

与传统的块体半导体气体传感器相比，基于一维材料(如碳纳米管)的气体传感器显示更好的前景。碳纳米管具有比表面积大、尺寸小、力学性能强等优良性能，对气体分子具有很强的吸附能力，是理想的气体传感器材料。碳纳米管气体传感器灵敏度高，响应速度快，工作温度低(室温条件)，是目前国内外研究关注的重点。

碳纳米管对一些气体分子具有很强的吸附能力，吸附的气体分子与碳纳米管相互作用，改变其费米能级，从而引起碳纳米管薄膜宏观电特性发生较大改变，通过测定这一变化即可检测气体。因此，碳纳米管可以用来制作气体传感器。对碳纳米管进行不同的表面改性和不同结构设计，可实现不同种类如氨气、氢气、甲醛、甲醇、甲烷、氮氧化物等气体的检测。但是，由于碳纳米管表面气体的扩散势垒小，导致碳纳米管气体传感器恢复初值的时间很长，故零点漂移大，影响传感器的稳定性。所以，虽然碳纳米管是极佳的气体传感器，但是，恢复时间过长(完全恢复需要数小时)和由此带来的恢复慢和稳定性差一直是制约其发展的技术瓶颈。为此采用加热丝的结构，提升碳纳米管敏感膜区域温度，使得吸附的气体快速脱附，以缩短恢复时间，恢复敏感膜活性，改善灵敏度和稳定性。

常见的碳纳米管气体传感器，平面电极对采用交叉指条对，材料有金、银、铂等，上面覆盖碳纳米管气体敏感膜。衬底之上是叉指电极，最顶端为碳纳米管敏感膜。衬底的反面制备了一层加热膜(加热丝)，通过加热膜(加热丝)来提升衬底温度，进而提升碳纳米管敏感膜区域温度。

这一方法虽然可以改善气体传感器的恢复效果，但是工艺复杂，需要专门设计加热层，而且通过衬底加热，温度提升慢，恢复效果差。且加热结构复杂，功耗大。另外，对衬底材料有额外要求，必须是热的良导体，而导热良好的往往也是导电良好的材料，所以为了绝缘，又在结构上增加绝缘层，使得传感器结构复杂，成本高，功耗大，寿命短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直热式碳纳米管气体传感器及敏感膜的制备方法，采用直热式叉指电极作为信号拾取和加热丝的碳纳米管气体传感器。采用碳纳米管复合膜作为气体敏感膜，采用直热式叉指电极作为敏感膜电信号拾取电极和敏感膜加热丝。由于直热式叉指电极在拾取信号时采用并联结构，拾取电极电阻小。在气体检测信号拾取之后，可以转换为串联结构加热丝，提升敏感膜温度，加热丝电阻大，实现气体快速脱附，从而改善碳纳米管气体传感器恢复效果，迅速恢复敏感膜活性，提高灵敏度和稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：包括碳纳米管复合敏感膜、叉指电极和传感器衬底，传感器衬底上设置叉指电极，叉指电极上设置气体敏感膜，所述的气体敏感膜是碳纳米管复合薄膜，所述的叉指电极是直热式叉指电极，所述的传感器衬底是传感器绝缘衬底，同边的直热式叉指电极所有指条之间相互串联，形成加热电流回路。

直热式叉指电极与气体敏感膜位于传感器绝缘衬底同侧。

所述直热式叉指电极成对出现，作为信号拾取电极，信号拾取时采用并联结构。

其直热式叉指电极材料采用镍、铬、铜或钨及其二元或者多元合金或混合物。

碳纳米管复合敏感膜采用的是定向的或是无序的碳纳米管。

所述的碳纳米管复合敏感膜采用单壁碳纳米管，或多壁碳纳米管，或既有单壁碳纳米管也有多壁碳纳米管。

传感器绝缘衬底材料为刚性绝缘材料或是柔性绝缘材料。

所述传感器绝缘衬底材料为无机绝缘材料，或非导电聚合物聚四氟乙烯、聚酰亚胺。