[发明专利]基于超宽带带陷功能的无线瓦斯浓度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及智能传感器技术领域，尤其是涉及一种基于超宽带带陷功能的无线瓦斯浓度传感器。

背景技术

研究表明，当空气中的瓦斯气体聚集浓度达到4%时，就会发生爆炸，因此，在一些面临瓦斯气体爆炸的危险的环境中，例如煤矿井下，监测瓦斯气体的浓度是必不可少的。随着无线传感技术的发展和进步，远程探测成为监测瓦斯气体浓度最为安全、简便、高效的技术手段之一，这不仅涉及探测瓦斯气体的物理、化学机理，无接触传递感知信息的无线通信技术，而且涉及两者的相互弥补和相互融合。

现有的用于检测瓦斯浓度的传感器包括催化珠金属氧化物传感器和甲烷加烃类气体红外火焰离子化传感器，其检测机理采用化学氧化法或瓦斯气体分解法。在实施瓦斯气体的检测过程中，这些机理需要消耗大量的能源，环境温度需高达500℃以上。在室温环境下，若采用上述传感器探测瓦斯气体的浓度，其过程相当复杂。

1991年，日本科学家饭岛澄男发明了碳纳米管材料。碳纳米管是一种由石墨层卷曲而形成的无缝纳米级管状碳分子晶体，是具有独特性能的一维纳米材料。碳纳米管由SP²杂化碳原子组成，碳原子相互之间以碳-碳键相结合。原理上，碳纳米管是六边形蜂窝状结构，而实际结构较为复杂，具有典型的层状中空结构，每个碳纳米管上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。根据石墨烯片的层数不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。研究发现，一些碳纳米管几乎全部由表面原子所构成，因此，其结构尺寸小到数个纳米级时，所形成的表面化学效应远大于整体结构尺寸的增加，所减小的尺寸形成高表面区域结构，构成对周边环境敏感度的增加。因此，碳纳米管可用于构建包括气体在内的各种环境传感器，并呈现出小型化的电离气体传感器，电阻随吸收气体特性变化的碳纳米管薄膜传感器，以及碳纳米管场效应晶体管传感器等多种结构形态。

以碳纳米管场效应晶体管传感器为例，其传感功能涉及对二氧化氮（NO₂）、氧（O₂）、氢（H₂）、氨（NH₃）等多种气体的探测，但是，对于探测甲烷（CH₄）等弱极性气体，碳纳米管场效应晶体管没有可借鉴的成熟的技术解决。Zhao等研究发现单壁碳纳米管每吸收一个甲烷气体分子，可产生大约0.025个可迁移的电子（Zhao,J.J.;Buldum,A.;Han,J.;Lu,J.P.Gas molecule adsorption in carbon nanotubes and nanotube bundles,Nanotechnology2002,13,195）；Lu等发现基于钯元素参杂的单壁碳纳米管在室温环境下对瓦斯气体分子具有一定的响应(Lu Y,Li J,Han J,Ng H T,Binder C,Partridge C,Meyyappan M,Room temperature methane detection using palladium loaded single-walled carbon nanotube sensors.Chem.Phys.Lett,2004,391:344-348.);Roy等则以实验方式测试了基于电子沉淀瓦斯技术的碳纳米管以及碳纳米纤维在探测瓦浓度时的敏感度(Roy R K,Chowdhury M P,Pal A K,Room temperature sensor based on carbon nanotubes and nanofilbres for methane detection.Vacuum,2005,77:223-229);Casalbore Miceli等沉淀出替代聚噻吩的导电型化合物，探讨了在室温环境下，阻抗随瓦斯浓度的变化响应(Casalbore-Miceli G,Zanelli A,Geri A,Gallazzi M C,A methane sensor based on poly[3',4'-dihexyl-4,4''-bis(pentyloxy)-2,2':5',2''-terthiophene”Coll.Czech.Chem.Commun,2003,68:1736-1744)。上述研究成果提供了采用碳纳米材料实现在室温环境下探测瓦斯气体浓度的理论和实践依据。