基于碳纳米管的电离式微气体传感器的制备与性能研究

摘要

气体离化传感器通过加局部高电场，使待测气体电离、发生放电来进行对气体的检测。不同的气体具有不同的击穿电压。利用这一指纹特性，电离式气体传感器可以识别气体的种类。与吸附式传感器相比，离化式传感器不受被测气体化学吸附性的影响，并且具有灵敏度高，响应速度快，恢复时间短的优势。 本文提出了一种将MEMS加工方法与碳纳米管薄膜沉积相集成的、基于电离原理的微气体传感器： 1) 应用了气体电离检测方法，不再受被测气体化学吸附性的影响，具有灵敏度高，响应速度快，恢复时间短的优势； 2) 应用了碳纳米管作为电极功能材料，发挥了碳纳米管的一维结构、场发射性能和负电子亲合势等优越性，进一步增强了离化电场，降低了器件的工作电压。 3) 在离化器件中引入了介电阻挡层（DBD）结构，对击穿时电荷的增长、放电电流的突变进行了有效的控制，减小了气体击穿对器件寿命的影响。 4)总结了一套使用电泳电镀相结合的方法沉积镍－碳纳米管复合薄膜的方法，作为的制备和研究此传感器的基础。与丝网印刷、混合电镀、电泳等方法相比，镍－碳纳米管复合薄膜密度可控、排布均匀、表面平整，并且具有较小的表面电阻、较好的场发射性能，更易与MEMS加工方法结合； 5) 设计并加工实现了两种微电极系统电离式气体传感器。综合了MEMS加工方法和碳纳米管复合薄膜沉积方法，大幅减小了器件结构中阴阳两极间距，增强了离化电场，使空气等8种气体的击穿电压降至36V以下，成功在低于人体工程学安全电压的条件下，应用气体击穿电压的指纹特性，对8种气体进行了识别；同时对离化传感器对呼吸和对有机混合气体敏感的特性和也作了研究。