CN106248776B - 一种可检测多组份混合气体的传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明为一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，由n个不同极间距的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器组成。传感器包括三个自下而上依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极由内表面附着有分布着金纳米孔的金属膜基底及设有小透气孔的电极构成；第二电极由中心设有小引出孔的引出极构成；第三电极由板面设有槽的收集极构成；三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；n个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极制作在同一极板上；三电极之间的极间距按照透气孔和引出孔的孔径以及槽的边长和槽深设定。本发明不需要分离混合气体，通过改变极间距识别不同组分气体，通过电流检测各组份浓度，与现有技术对比有较大的收集电流和灵敏度。

Description

一种可检测多组份混合气体的传感器阵列

技术领域

本发明涉及气体传感领域，是一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，在不分离混合气体条件下直接检测混合气体浓度。

背景技术

随着科学技术的进步和工业生产的发展，对多组份气体的检测和分析的要求不断提高，但是现有的检测手段不能满足需要。目前能够应用于混合气体在线检测的设备有：气相色谱仪、传感器阵列、光谱/质谱仪等。气相色谱仪首先用色谱柱分离混合气体，然后用相应得气体传感器分别进行检测，如美国Serveron公司研制的TM8在线监测仪，这类仪器检测过程复杂、对环境较敏感、维护困难。传感器阵列是由各种单一气体传感器(如金属氧化物半导体传感器、电化学传感器、热电传感器、光纤传感器等)组成阵列来检测混合气体，可以不分离气体直接进行检测，但是这些方法检测精度低，稳定性差，选择性不佳。光谱/质谱仪是可以直接检测混合气体的仪器设备，如美国GE公司研制出的Kelman TRANSFIX在线监测装置，此类检测仪也具有结构复杂、价格昂贵等缺点。

碳纳米管具有大的比表面积、极强的表面吸附能力、良好的导电性和半导体特性、优良的电子场发射特性，使其成为制作气体传感器的理想气敏材料。因此，国内外的高校和科研机构陆续对碳纳米管气体传感器开展了大量研究。2006年，Alexander等应用不同金属(Pd、Pt、Rh、Au)修饰的单壁碳纳米管制成传感器阵列，用于检测H₂、CO、H₂S和NH₃混合气体，实验表明Pd、Pt、Rh、Au修饰的CNT传感器分别对H₂S、H₂、CO、NH₃敏感，但是传感器阵列存在严重交叉干扰，选择性差。上海交通大学侯中宇等在碳纳米管膜上用光刻胶形成所需的电极结构图形，将光刻胶层作为掩膜，用反应离子刻蚀法对碳纳米管层进行干法刻蚀，形成小间距的气体间隙碳纳米管微电极阵列。形成了简单有效的碳纳米管微电极制备工艺，为碳纳米管电子器件的应用提供了低成本、工艺简单、适合批量生产的制备方法。2013年，张勇等人研制了一种以碳纳米管薄膜为阴极的新型电离式三电极碳纳米管传感器；通过三电极结构及独特的电极电压设计，引出了更多的正离子；实验获得了传感器阵列对两组份混合气体NO/SO₂的单值敏感特性(专利公开号：102095791A)，在检测气体方面有较大优势。但收集电流值偏小，灵敏度不够高。2014年，Saheed等人发表的两电极电离式传感器，长有CNTs的硅基底作为阴极，Al板作为阳极，50.83±0.05μm厚的聚酰亚胺薄膜作为极间绝缘材料。通过控制CNTs的生长高度来控制极间距离。在空气背景中不同浓度的He，NH₃和N₂中，实验测试了7μm极间距传感器的击穿电压，获得传感器击穿电压与混合气体浓度的关系。随着空气中目标气体He、NH₃、N₂浓度的增加，传感器的击穿电压单调上升或下降。然而，工作电压较高，依旧没有办法构成实用型传感器。

研究者发现上述三电极传感器(专利公开号：102095791A)引出孔面积较大，反向电场范围有限，只能收集部分正离子，还有部分正离子向阴极运动轰击碳管，从而使收集电流较小，造成灵敏度低，影响了传感器性能。

发明内容

本发明的目的之一，提供一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，在不分离气体的情况下测量气体浓度，获得了较好的单值敏感特性，具有较大的收集电流和灵敏度。同时，该传感器阵列结构简单，成本低。

本发明的目的之一，是提供一种金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，传感器电极孔径和极间距比值优化，将现有三电极传感器反向电场范围增大，提高正离子引出数量，从而提高引出的离子流；降低了传感器工作电压，提高了传感器灵敏度。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，阵列中包括多个不同极间距的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器；

所述金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，包括三个自下而上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附着有分布着金纳米孔的金属膜基底以及设有小透气孔的电极构成；所述第二电极由中心设有小引出孔的引出极构成；所述第三电极由板面设有凹槽的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；

所述第一电极内表面金属膜基底上采用蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料；

所述小透气孔的孔径为0.8～4mm，小引出孔的孔径为1.2～6mm，凹槽的边长为1.2×1.2～6×8mm，槽深为200μm；

三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和凹槽的边长和槽深设定。

所述传感器阵列按照多个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器并列分布，所有传感器的第一电极制作在同一极板上，相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间按照设定间隔分布。

进一步，所述传感器阵列相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间间隔均为3～8mm。

进一步，所述小透气孔的孔径为0.8～4mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔的孔径之比为3/200～3/20。

进一步，所述小引出孔的孔径为1.2～6mm时，第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为1/100～1/10,第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为1/100～1/10。

进一步，所述凹槽的边长和槽深分别为1.2×1.2～6×8mm和200μm时，第二电极与第三电极之间极间距与槽深之比为3/10～3/5。

进一步，所述第一电极的电极表面的小透气孔设有1～20个；

所述第二电极引出极的小引出孔有1～20个；

所述第三电极收集极的凹槽设有1个。

相应地，本发明还给出了一种金纳米孔薄膜三电极电离式传感器的金纳米孔制备到金属膜基底的方法，包括下述步骤：

1)镀膜前预处理：选用刻蚀有透气孔的硅片作为基体并进行镀膜前预处理；

2)溅射：在真空条件下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm；

3)退火：将溅射有钛镍金薄膜的硅基底快速退火30～80s，退火温度为400～500℃；

4)金纳米孔材料制备：在真空度为3×10^-3Pa，在溅射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料，金纳米孔的平均尺寸为350nm，高度为1.8μm；

5)进行微观形貌检测，自此完成金属膜基底金纳米孔薄膜材料的生长过程。

进一步，步骤2)中，溅射条件为：真空度为2.5×10^-3Pa，溅射温度为30～40℃，依次溅射钛膜、镍膜和金膜溅射时间分别为7min、50min和13min。

进一步，步骤4)中，蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料沉积率为1.5nm/s，沉积时间为20min。

本发明具有以下技术效果：

本发明可检测多组份混合气体的传感器阵列，由n个不同极间距可检测多组份混合气体的传感器组成传感器阵列，分别测量待测混合气体各组份浓度；由传感器电压源供电；由pA级电流测量***检测传感器输出；调整电极间距，调整电极电压，获得单值敏感特性。该可检测多组份混合气体的传感器阵列，在不分离混合气体获得了较好的单值敏感特性，具有较大的收集电流和灵敏度。且要求的硬件结构简单，成本低，能适用多种混合气体，灵敏度高、准确度高，同时为多组份气体检测奠定了基础。

附图说明

图1是可检测多组份混合气体传感器的立体结构示意图。

图2是可检测多组份混合气体传感器阵列三维展示图。

图3是可检测多组份混合气体传感器阵列，检测混合气体CH₄/CO的单值敏感特性图。

图4是实施例1金纳米孔薄膜三电极电离式CO传感器的敏感特性图。

图5是实施例1金纳米孔薄膜三电极电离式CH₄传感器的敏感特性图。

图6是碳纳米管传感器的立体结构示意图。

图7是镀金碳纳米管传感器的立体结构示意图。

图8是金纳米孔传感器的立体结构示意图。

图9是碳纳米管传感器、镀金碳纳米管传感器和金纳米孔传感器的仿真电流密度。

图6～8中：1、第一电极；1-1、第一电极上的小透气孔；2、第二电极；2-1、第二电极上的小引出孔；3、第三电极；3-1、凹槽；4、设有小透气孔的电极；5、金属膜基底；6、碳纳米管薄膜；7、金纳米孔薄膜；8、绝缘支柱；9、镀金碳纳米管薄膜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示的可检测多组份混合气体传感器的立体结构示意图。传感器阵列按照多个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器并列分布，所有传感器的第一电极制作在同一极板上，传感器阵列相邻第二电极极板之间间隔为3mm，相邻第三电极极板之间间隔为3mm。

单体金纳米孔三电极电离式传感器具有如下结构：包括三个自下而上依次分布的第一电极1、第二电极2和第三电极3，第一电极1由内表面附着有分布着金纳米孔薄膜7的金属膜基底5以及设有小透气孔的电极4构成；第二电极2由中心设有小引出孔2-1的引出极构成；第三电极3由板面设有凹槽3-1的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离，绝缘支柱8分别设置在分布着金纳米孔薄膜的金属膜基底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8分布于第二电极2正对第一电极1的表面两侧及第三电极3的内侧金膜表面的两侧。

如图2所示，可选择n个相邻电极的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和槽的边长和槽深设定金纳米孔三电极电离传感器组成传感器阵列。其中，n个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极制作在同一极板上，相邻传感器第二电极之间、相邻传感器第三电极之间间隔均为3～8mm。第二极板和第三极板的数量由待测参量决定。

其中，小透气孔1-1的孔径设定在0.8～4mm、小引出孔2-1的孔径为1.2～6mm，凹槽3-1的边长和槽深分别为1.2×1.2～6×8mm和200μm。当小透气孔的孔径为0.8～4mm时，第一极间距与第二极之间极间距与小透气孔的孔径之比为3/200～3/20；当小引出孔的孔径为1.2～6mm时，第一极间距与第二极间距之间极间距与小引出孔的孔径之比为1/100～1/10，第二极间距与第三极之间极间距与小引出孔的孔径之比为1/100～1/10；当槽的边长和槽深分别为1.2×1.2～6×8mm和200μm时，第二极间距与第三极之间极间距与槽深之比为3/10～3/5。

在本结构中，第一电极的电极表面的小透气孔有1～20个，小透气孔形状可以是圆形的；第二电极引出极的小引出孔设有1～20个，小引出孔形状可以是圆形的；第三电极收集极的凹槽设有1个，凹槽形状可以是矩形的。

本发明设有透气孔的电极板面采用硅片材料制作；金属膜基底采用钛、镍、金三种金属材料制作；金纳米孔薄膜采用金源，在金属膜基底上生长制作金纳米孔薄膜；第二电极和第三电极均采用硅片制作。第一电极和第三电极内侧面、第二电极的两侧面均设有金属膜。

本实施例金纳米孔薄膜三电极电离式传感器的金纳米孔制备到金属膜基底的步骤如下：

1)镀膜前预处理：选用刻蚀有透气孔的硅片作为基体并进行镀膜前预处理；

2)溅射：在真空度为2.5×10^-3Pa，30～40℃下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，溅射时间分别为10min、40min和20min，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm；

3)退火：将溅射有钛镍金薄膜的硅基底快速退火30～80s，退火温度为400～500℃；

4)金纳米孔材料制备：在真空度为3×10^-3Pa，在溅射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料，沉积率为1.5nm/s，沉积时间为20min，金纳米孔的平均尺寸为350nm，高度为1.8mm；

5)进行微观形貌检测。

该金纳米孔薄膜三电极电离式传感器收集电流高，工作电压低，检测气体灵敏度高，成本低，寿命长。

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

本实施例可检测多组份混合气体的传感器阵列(结构如图1、图2所示)，由两个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器组成。两个传感器的阴极制作在同一块极板上，两个引出极和收集极具有相同的结构，两个传感器具有不同的极间距。其中一个传感器的第一电极的电极表面有2个Φ3mm的圆形透气孔，第一电极与第二电极之间极间距与透气孔孔径之比为1/40；第二电极中心设有9个Φ1.2mm的圆形引出孔，第一电极与第二电极之间极间距与引出孔孔径之比为1/16，第二电极与第三电极之间的极间距为1/16；第三电极收集极设置了1个长宽为6×8mm、200μm的深槽与第二电极的引出孔相对应，第二电极与第三电极极间距与深槽槽深之比为3/8。绝缘支柱分别设置在分布着金纳米孔薄膜的金属膜基底与第二电极之间、第二电极与第三电极之间，即绝缘支柱分布于第二电极正对第一电极的表面两端及第三电极的内侧金膜表面的两端。第一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器用于检测CO的浓度。

另一个传感器的结构与第一个传感器的结构相同，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为19/600和19/240；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为19/240和19/40。第二个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器用于检测CH₄的浓度。

传感器阵列中两个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器的第一电极制作在同一极板上，相邻第二电极之间间隔为3mm，相邻第三电极之间间隔为3mm。

本发明设有透气孔的电极4板面采用硅片材料制作；金纳米孔薄膜基底5为金属膜基底；所述金纳米孔薄膜7，使用蒸发沉积法，在金属膜基底5上生长制作金纳米孔薄膜7。第二电极2和第三电极3均采用硅片制作。设有透气孔的第一电极1和第三电极3内侧面、第二电极2的两侧面均镀有金属膜。

本实施例制作金纳米孔三电极电离式传感器的金纳米孔制备到金属膜基底步骤如下：

选用刻蚀有透气孔的硅片作为基体并进行镀膜前预处理；在真空度为2.5×10^{- 3}Pa，30℃下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，溅射时间分别为10min、40min和20min，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm；将溅射有钛镍金薄膜的硅基底快速退火30s，退火温度为500℃；金纳米孔材料制备：在真空度为3×10^-3Pa，在溅射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料，沉积率为1.5nm/s，沉积时间为20min，金纳米孔的平均尺寸为350nm，高度为1.8μm。

下面通过一个具体实例，对本发明传感器阵列检测混合气体浓度做进一步说明。

采用金纳米孔薄膜三电极电离式传感器阵列，实验获得了甲烷CH₄与一氧化碳CO多组份混合气体的单值气敏特性，可测量一氧化碳与甲烷多组份混合气体浓度值。

其金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极1中的电极上有2个小透气孔，便于待检测气体进入电极间隙；金属膜基底具有导电能力，并牢固附着在第一电极一侧表面；第二电极2上设有正离子流小引出孔；第三电极3收集极通过第二电极2的小引出孔，可收集气体电离产生的正离子流。第一电极1与第二电极2之间、第二电极2与第三电极3之间通过绝缘支柱8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金纳米孔薄膜三电极电离式传感器在测量气体浓度时，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以电子流为主导的回路，第三电极与第一电极形成以离子流为主导的回路，工作电压降低，引出孔径的减小使得反向电场范围增大，增加了收集离子流的能力，提高了传感器灵敏度。金纳米孔薄膜三电极电离式传感器输出的收集电流与气体浓度，在第二电极施加一定电压的基础上，呈现单值气体浓度敏感关系。

实施例中，实验环境条件为温度50℃、相对湿度25.2％RH、大气压力101KPa。两个测量多组份混合气体浓度传感器的第一电极1阴极电压均为0V，第二电极2引出极均加载电压250V，第三电极3收集极均加载电压1V。在CH₄气体0～1000ppm浓度范围内以及CO气体0～5000ppm的浓度范围内，获得了36组实验数据，获得了CH₄与CO的单值敏感特性，可以在不分离混合气体条件下检测气体。如图3所示，实验获得了传感器阵列对两组份混合气体CH₄/CO的单值敏感特性。随着CH₄与CO气体浓度的升高，两个测量多组份气体浓度传感器的收集极收集到的离子流均减小，离子流随多组份气体浓度增加呈现单值下降的关系。图4和图5所示，分别出示了传感器阵列检测一氧化碳与甲烷多组份混合气体浓度的单值关系示意图。

本次发明可检测多组份混合气体的传感器阵列在阴极表面分布着金纳米孔薄膜，不仅起到了改变阴极导电特性的作用，同时改变了场发射特性；引出极虽然增加孔的数量却缩小了孔径改变了电场分布。传感器电极孔径和极间距比值优化，增强了粒子扩散效果，能够收集更多的正离子，达到增加收集电流，提高灵敏度的效果。

在氮气气体中，仿真计算碳纳米管传感器、镀金碳纳米管传感器和上述电极结构的金纳米孔传感器的收集极平均电流密度。仿真计算中，碳纳米管传感器(结构如图6所示)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2个直径4mm透气圆孔的电极构成；第二电极由中心设有1个直径6mm引出圆孔的引出极构成；第三电极由板面设有1个6×8mm、200μm深槽的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。仿真计算中，镀金碳纳米管传感器(结构如图7所示)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镀金碳纳米管薄膜的基底以及设有2个直径5mm透气半圆孔的电极构成；第二电极由中心设有6个直径2mm引出圆孔的引出极构成；第三电极由板面光滑的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。仿真计算中，碳纳米管传感器、镀金碳纳米管传感器和上述电极结构的金纳米孔传感器结构如图8所示。

仿真计算的收集极平均电流密度如图9所示。金纳米孔传感器的平均收集电流密度为2.26×10^-5A/m²，镀金碳纳米管传感器的平均收集电流密度为2.07×10^-6A/m²，碳纳米管的平均收集电流密度为1.96×10^-7A/m²。从图中可以看出，金纳米孔传感器的平均收集电流密度大于镀金碳纳米管传感器的平均收集电流密度，镀金碳纳米管传感器的平均收集电流密度大于碳纳米管的平均收集电流密度。金纳米孔传感器收集电流密度较大的原因之一，是传感器极板分布数量较多、孔径较小的小孔。仿真结果说明，金纳米孔传感器结构有利于正离子的引出，提高收集电流。

本发明可检测多组份混合气体的传感器阵列、镀金碳纳米管阵列和碳纳米管传感器阵列(专利公开号：102095791A)检测混合气体的收集电流和灵敏度的对比如表1所示。表1中，本发明多组份混合气体传感器阵列灵敏度是甲烷传感器的灵敏度；镀金碳纳米管传感器阵列混合气体浓度检测方法的灵敏度是甲烷传感器的灵敏度；碳纳米管传感器阵列混合气体浓度检测方法的灵敏度是一氧化氮传感器的灵敏度。本发明可检测多组份混合气体的传感器阵列的收集电流对比镀金碳纳米管阵列提高了一个数量级，灵敏度提高了一个数量级；可检测多组份混合气体的传感器阵列的收集电流对比碳纳米管传感器阵列提高了三个数量级，灵敏度提高了两个数量级。实验结果与仿真结果说明，本发明可检测多组份混合气体的传感器阵列收集电流大，灵敏度高，与现有检测技术相比有很强的优势。

实施例2

本实施例基本结构同实施例1，可检测多组份混合气体的传感器阵列实施例中，两个传感器有着相同的结构，不同的极间距。该可检测多组份混合气体的传感器阵列中的极间距按照透气孔、引出孔的孔径和凹槽的边长和槽深设定。一种可检测多组份混合气体的传感器阵列中，其中一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极的电极表面有20个小透气孔，孔径为0.8mm。第二电极中心有20个小引出孔，孔径为1.2mm。第三电极有1个长宽为6×8mm、200μm的深槽。此时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为3/20和1/10；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为1/10和3/5。

另一个传感器第一电极的电极表面有20个小透气孔，孔径为0.8mm。第二电极中心有20个小引出孔，孔径为1.2mm。第三电极有1个长宽为6×8mm、200μm的深槽。此时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为3/20和1/10；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为1/10和3/5。

两个传感器阵列相邻第二电极极板之间、相邻传感器第三电极极板之间间隔均为4mm。

本实施例金纳米孔制备到金属膜基底步骤如实施例1所述。

实施例2与实施例1实验条件相同，可合理推断出采用实施例2的传感器能够获得相同实验效果，满足要求。

实施例3

本实施例基本结构同实施例1，可检测多组份混合气体的传感器阵列实施例中，两个传感器有着相同的结构，不同的极间距。可检测多组份混合气体的传感器阵列中的极间距按照透气孔、引出孔的孔径和槽的边长和槽深设定。一种可检测多组份混合气体的传感器阵列中，其中一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极的电极表面有1个小透气孔，孔径为4mm。第二电极中心有1个小引出孔，孔径为6mm。第三电极有1个长宽为6×8mm、200μm的深槽。此时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为3/200和1/100；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为1/100和3/10。

另一个传感器第一电极的电极表面有1个小透气孔，孔径为4mm。第二电极中心有1个小引出孔，孔径为6mm。第三电极有1个长宽为6×8mm、200μm的深槽。此时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为3/20和1/10；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为1/10和3/5。

两个传感器阵列相邻第二电极极板之间、相邻传感器第三电极极板之间间隔均为8mm。

本实施例金纳米孔制备到金属膜基底步骤如实施例1所述。

实施例3与实施例1实验条件相同，可合理推断出采用实施例3的传感器能够获得相同实验效果，满足要求。

实施例4

本实施例可检测多组份混合气体的传感器阵列(结构如图1、图2所示)，由三个金纳米孔三电极电离式传感器组成。三个传感器的阴极制作在同一块极板上，三个引出极和收集极具有相同的结构，三个传感器具有不同的极间距。本实施例的传感器阵列无需分离混合气体可直接检测H₂/C₂H₂/C₂H₄的浓度。三个传感器有着相同的结构，不同的极间距。该可检测多组份混合气体的传感器阵列中的极间距按照透气孔、引出孔的孔径和槽的边长和槽深设定。

一种可检测多组份混合气体的传感器阵列中，第一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极的电极表面有2个小透气孔，孔径为3mm。第二电极中心有9个小引出孔，孔径为2mm时。第三电极有1个长宽为1.2×1.2mm、200μm的深槽。此时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为1/40和1/16；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为1/16和3/8。第一个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器用于检测C₂H₂的浓度。

第二个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极的电极表面有2个小透气孔，孔径为3mm。第二电极中心有9个小引出孔，孔径为2mm时。第三电极有1个长宽为1.2×1.2mm、200μm的深槽。此时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为3/100和3/40；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为3/40和9/20。第二个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器用于检测C₂H₄的浓度。

第三个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器第一电极的电极表面有2个小透气孔，孔径为3mm。第二电极中心有9个小引出孔，孔径为2mm时。第三电极有1个长宽为1.2×1.2mm、200μm的深槽。此时，第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔和小引出孔直径之比分别为1/25和1/10；第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔直径和收集极深槽的孔深之比分别为1/10和3/5。第三个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器用于检测H₂的浓度。

三个传感器阵列相邻第二电极极板之间、相邻传感器第三电极极板之间间隔均为7mm。

本实施例金纳米孔制备到金属膜基底步骤如实施例1所述。

实施例4与实施例1实验条件相同，可合理推断出采用实施例4的传感器无需分离混合气体可直接检测H₂/C₂H₂/C₂H₄的浓度，满足要求。

本发明可检测多组份混合气体的传感器阵列在阴极表面分布着金纳米孔薄膜，不仅起到了改变阴极导电特性的作用，同时改变了场发射特性；引出极虽然增加孔的数量却缩小了孔径改变了电场分布，增强了粒子扩散效果，能够收集更多的正离子，达到增加收集电流，提高灵敏度的效果。一种可检测多组份混合气体的传感器阵列在材质，结构，制备方法上都有较大的改进。

下述表1给出了本发明传感器阵列检测多组份混合气体传感器阵列、镀金碳纳米管阵列和碳纳米管传感器阵列检测混合气体时，收集电流和灵敏度的对比。

其中最大灵敏度的计算式：

(式中：i—不同气体浓度点序号，i≥2；I_i—传感器收集电流平均值；—气体浓度值。)

表1

从上述表1可以看出，本发明检测多组份混合气体的传感器阵列解决了现有传感器收集电流较小，造成灵敏度低，影响了传感器的性能的问题。本发明的收集电流达188.50nA，平均灵敏度达1.7×10^-1nA/ppm，最大灵敏度达265.7nA/ppm。

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。

Claims (6)

1.一种可检测多组份混合气体的传感器阵列，其特征在于，阵列中包括多个不同极间距的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器；

所述金纳米孔薄膜三电极电离式传感器，包括三个自下而上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附着有分布着金纳米孔的金属膜基底以及设有小透气孔的电极构成；所述第二电极由中心设有引出孔的小引出极构成；所述第三电极由板面设有凹槽的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离；

所述第一电极内表面金属膜基底上采用蒸发沉积法制备金纳米孔薄膜材料；

三电极之间的极间距按照小透气孔、小引出孔的孔径和凹槽的边长和槽深设定；

所述小透气孔的孔径为0.8～4mm，对应第一电极与第二电极之间极间距与小透气孔的孔径之比为3/200～3/20；小引出孔的孔径为1.2～6mm，对应第一电极与第二电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为1/100～1/10，第二电极与第三电极之间极间距与小引出孔的孔径之比为1/100～1/10；凹槽的边长为1.2×1.2～6×8mm，槽深为200μm，对应第二电极与第三电极之间极间距与槽深之比为3/10～3/5；

所述传感器阵列按照多个金纳米孔薄膜三电极电离式传感器并列分布，所有传感器的第一电极制作在同一极板上，相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间按照设定间隔分布。

2.根据权利要求1所述的可检测多组份混合气体的传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列相邻传感器第二电极极板之间、第三电极极板之间间隔均为3～8mm。

3.根据权利要求1所述的可检测多组份混合气体的传感器阵列，其特征在于，所述第一电极的电极表面的小透气孔设有1～20个；

所述第二电极引出极的小引出孔1～20个；

所述第三电极收集极的凹槽设有1个。

4.一种权利要求1-3任一项所述传感器阵列的金纳米孔薄膜三电极电离式传感器的金纳米孔制备到金属膜基底的方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)镀膜前预处理：选用刻蚀有透气孔的硅片作为基体并进行镀膜前预处理；

2)溅射：在真空条件下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm；

3)退火：将溅射有钛镍金薄膜的硅基底快速退火30～80s，退火温度为400～500℃；

4)金纳米孔材料制备：在真空度为3×10^-3Pa，在溅射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料，金纳米孔的平均尺寸为350nm，高度为1.8μm；

5)进行微观形貌检测，自此完成金属膜基底金纳米孔薄膜材料的生长过程。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)中，溅射条件为：真空度为2.5×10^{- 3}Pa，溅射温度为30～40℃，依次溅射钛膜、镍膜和金膜溅射时间分别为7min、50min和13min。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4)中，蒸发沉积法生长金纳米孔薄膜材料沉积率为1.5nm/s，沉积时间为20min。