基于流体模型的碳纳米管电离式传感器的结构优化方法

摘要

与常规电离式传感器相比,碳纳米管三电极电离式气体传感器具有体积小、工作电压低的优势,对智能电网、泛在物联网的发展具有重要作用,但存在输出电流低、灵敏度低的缺点,需要从结构上对其进行优化.本文基于汤生放电原理,采用COMSOL Multiphysics多物理场直接耦合分析软件,建立了传感器二维等离子体放电流体仿真模型.研究得到了8种不同结构的传感器,在氮气背景中的静电场分布及传感器收集极平均电流密度.通过对比不同结构参数下的电场强度及电流密度值,得到了最优传感器结构.结合仿真结果,制备了8种优化结构的传感器进行实验验证,最优传感器结构具有最高的收集电流密度,与仿真结果一致,证明了本文提出的结构优化方法的可行性.基于最优结构,制作了100和120μm极间距的传感器,获得了NO/SO2两组分混合气体的敏感特性.与其他技术相比,最优传感器的灵敏度比现有技术高1—2个数量级,展示了三电极电离式碳纳米管传感器的应用潜力.