碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器及其湿度测量方法

摘要

本发明公开了一种碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器及其湿度测量方法，传感器包括三个依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极设有透气孔，其内表面附着有分布着碳纳米管薄膜的金属膜基底；第二电极中心设有引出孔；第三电极板面设有盲孔；三个电极相互隔离。方法包括：1)放置气体湿度传感器；2)在电极上施加电压；3)测量传感器输出离子流值；4)测得值与气体湿度标定值组成样本，并与插值样本，构建气体湿度测量数据库；5)构建数据融合仪，建立气体湿度测量模型；6)传感器实测值输入测量模型，获得气体湿度准确测量值。该气体湿度传感器工作电压低，测量气体湿度灵敏度高，线性度好，准确度高，可用于各种气体的湿度测量。

说明书

技术领域

本发明涉及气体湿度检测领域，特别是一种基于碳纳米管薄膜及气体放电原理的电离式气体湿度传感器及其湿度测量方法。 

背景技术

随着各行各业气体检测的迫切需要以及纳米技术的发展，纳米传感器已获得长足的进展。尤其是随着20世纪末期碳纳米管的发现，碳纳米管在气体、温度、湿度检测领域展现出诱人的应用前景。碳纳米管湿敏传感器中的碳纳米管薄膜两电极电离式传感器，以其检测灵敏度高、检测气体范围宽、响应快等优点，成为气体湿度检测领域的研究热点。碳纳米管薄膜两电极电离式气体湿度传感器基于气体放电原理，用碳纳米管作为敏感材料，具有常规传感器不可替代的优点：一是碳纳米管的比表面积大，在传感器整体尺寸较小的情况下，可大大提高电极的面积；二是基于碳纳米管纳米级的尖端曲率半径，使传感器工作电压极大降低，并在碳纳米管尖端附近获得极强的电场强度，在低电压下使被测气体电离；三是大大缩小了传感器的尺寸，动态响应快。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事、反恐等方面具有广泛的发展前途。 

现有的碳纳米管薄膜两电极电离式气体湿度传感器由浙江大学生物医学工程与仪器科学学院的惠国华、陈裕泉教授在120微米极间距的条件下进行了研制，研究了碳纳米管薄膜阴极两电极传感器的湿敏特性(图1)，即空气中击穿电压与湿度的关系。该两电极传感器的击穿电压与湿度具有多值非线性特性，没有构成碳纳米管薄膜两电极电离式湿度传感器。 

因此，目前对碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器及其湿度测量方法的研究，成为亟待解决的技术问题。 

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器，将传统碳纳米管薄膜两电极传感器的输出电流分为电子流与离子流，建立本发明电离式气体湿传感器收集极收集的离子流与气体湿度的单值对应关系，克服碳 纳米管薄膜两电极传感器湿敏特性的多值非线性问题。本发明传感器结构简单，成本低，测量气体湿度灵敏度高。 

本发明的另一目的，是提供一种基于碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的湿度测量方法，由碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器测量待测气体湿度；该湿度测量方法要求的硬件结构简单，能测量易燃易爆及有毒气体湿度，采用数据融合算法，测量气体湿度准确度高。 

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。 

碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器，其特征在于：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附着有分布着碳纳米管薄膜的金属膜基底以及设有透气孔的电极构成；第二电极由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。 

本发明的结构特征还在于： 

所述三个电极中相邻两个电极间的极间距为30～250μm；所述第一电极与第二电极极板正对面积为0.01～170mm²，第二电极与第三电极极板正对面积为0.01～190mm²。 

所述第一电极的电极表面的透气孔为1～4个，在电极内侧表面附着的金属膜基底上生长或者丝网印刷有碳纳米管薄膜； 

所述第二电极引出极中心设有1～4个引出孔； 

所述第三电极收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1～4个。 

本发明还给出了一种基于碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的气体湿度测量方法，该方法包括下述步骤： 

(1)选择三个电极中相邻两个电极的极间距设定为30～250μm的碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器； 

(2)将碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器放置在待测气体湿度环境中； 

(3)对碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的第一电极加载电压为0V，第二电极加载电压2～200V，第三电极加载电压1～180V； 

(4)在待测气体湿度测量范围内，对应不同的湿度标定值，测量传感器输出的气体放电离子流值； 

(5)将步骤(4)中测得的传感器输出离子流值与相应的湿度标定值，组成不同的实验标定样本，然后采用分段插值技术对实验标定样本进行插值，获得插值数据，得到插值样本，并根据包含了实验标定样本及插值样本的所有样本组建气体湿度测量数据库； 

(6)采用数据融合技术，构建数据融合仪，建立气体湿度传感器的湿度测量模型，分别以气体湿度测量数据库中的数据作为数据融合仪的输入样本和期望输出样本，并以量程范围内不同的数据分别作为数据融合仪的训练样本和检验样本进行训练和检验，检验结果满足实测误差要求时，数据融合仪输出传感器的湿度准确测量模型； 

(7)将碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器实测时输出的离子流值输入步骤(6)获得的气体湿度测量模型，该模型输出气体湿度的准确测量值。 

本发明方法特征还在于： 

所述碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器中，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且高于第一电极电位。 

所述建立气体湿度测量数据库，是将实验标定数据与插值数据组成数据库，将传感器输出离子流值及其插值数据作为输入样本，将气体湿度标定值及其插值数据作为期望输出样本。 

基于碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的气体湿度测量方法，由碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器测量待测气体湿度；由传感器电压源供电；由pA级电流测量系统检测传感器输出；调整电极间距，调整电极电压，在待测湿度环境中进行传感器的标定实验；基于分段插值技术对实验标定数据进行插值，获得插值数据；将包含了实验标定数据及插值数据的所有数据组成气体湿度测量数据库，获得传感器的单值湿度敏感特性；根据气体湿度测量数据库中的数据，基于数据融合技术，建立气体湿度传感器的湿度准确测量模型；将实测时传感器的输出实时地输入气体湿度测量模型，就可以得到气体湿度的实测结果。该气体湿度测量方法克服了碳纳米管薄膜两电极传感器工作电压高和湿敏特性多值非线性问题，要求的硬件结构简单，能测量易燃、易爆及有毒气体湿度， 并且成本低，测量气体湿度灵敏度高、准确度高，适合于推广使用。 

本发明由于采取了碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器来测量湿度，可实现各种气体湿度的测量，准确度为1％。该结构的传感器采用碳纳米管薄膜做电极，以碳纳米管纳米级的尖端曲率半径可实现将传感器工作电压降至200伏以下的安全实用范围。通过调节传感器电极相邻两个电极的极间距和电极电压，在湿度测量范围内，能够解决现有技术中碳纳米管薄膜两电极传感器工作电压高、湿敏特性多值非线性的问题，可用于易燃、易爆、有毒气体环境中湿度的测量。本发明由于采取了基于碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的湿度测量方法，将碳纳米管薄膜电离式传感器技术、pA级电流测量技术、分段插值技术以及数据融合技术集成在一起，可实现气体湿度的准确测量。 

附图说明

图1是现有技术碳纳米管薄膜两电极湿度传感器的多值非线性湿度敏感特性。 

图2是本发明碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器结构示意图； 

图3是本发明碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器立体结构侧视图； 

图4是本发明碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器输出的气体放电离子流与氮气环境中湿度的单值关系。 

图中：1、第一电极；2、第二电极；3、第三电极；4、设有透气孔的电极；5、金属膜基底；6、碳纳米管薄膜；7、绝缘支柱。 

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。 

实施例1 

如图2、图3所示，该碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器，包括由三个依次自上而下相互叠加的电极构成，该三个相互叠加电极分别设有第一电极1、第二电极2和第三电极3，其第一电极1由内表面附着有分布着碳纳米管薄膜6的金属膜基底5以及设有透气孔的电极4构成；第二电极2由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极3由电极板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱7相互隔离。 

图2所示的碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器实施例中，第一电极1的电极表面的透气孔有2个，透气孔为圆形；在该透气孔的一侧表面附着有金属膜基底5，其上分布有碳纳米管薄膜6，且该碳纳米管管口向下。第二电极2中心设有1～4个引出孔，图2、图3中给出了设置一个引出孔、且引出孔为圆形的实施例。第三电极3收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1～4个，图2、图3中给出了设置一个盲孔、且盲孔为圆柱体结构的实施例。绝缘支柱7分别设置在第一电极1与第二电极2之间、第二电极2与第三电极3之间，即绝缘支柱7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。 

本发明第一电极1采用硅片材料制作，第一电极1的一侧表面附着有金属膜基底5；所述碳纳米管薄膜6，可采用酞菁铁做为催化剂，并采用碳源，在金属膜基底5上生长制作碳纳米管薄膜6，或者丝网印刷碳纳米管薄膜6。第二电极2和第三电极3均采用硅片制作。第一电极1和第三电极3内侧面、第二电极2的两侧面均设有金属膜。 

本发明第一电极1中的电极上有2个透气孔，便于待检测气体进入电极间隙；金属膜基底5附着在第一电极1一侧表面，具有导电能力；第二电极2上有引出孔；第三电极3收集极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7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碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器在测量气体湿度时，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电子流回路，第三电极与第一电极形成离子流回路，实现将电子流与离子流分离。碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器输出的离子流与气体湿度之间，在第二电极施加一定电压的基础上，呈现单值关系(图4所示)。通过分段插值及数据融合，实现了气体湿度1％的测量准确度。碳纳米管薄膜电离式传感器技术、pA级电流测量技术、分段插值技术以及数据融合技术是本发明湿度测量方法的特征。 

下面通过一个具体实例，对本发明碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器测 量气体湿度的方法做进一步说明。 

采用极间距固定的碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器，实验获得了氮气中的单值湿度特性(图4所示)，传感器输出的离子流输入数据融合建立的湿度测量模型，获得了引用误差小于1％的氮气中的湿度测量值。 

图4所示的碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器检测氮气环境湿度的实施例中，实验环境条件为温度20.8～21.8℃、大气压力93.6～100KPa。传感器第一电极1与第二电极2极间距为200μm、第二电极2与第三电极3极间距为100μm；第一电极1与第二电极2极板正对面积为170mm²，第二电极2与第三电极3极板正对面积为190mm²；第一电极1阴极电压为0V，第二电极2引出极加载电压90V，第三电极3收集极加载电压10V。随着湿度的升高，收集极收集到的离子流增大，离子流与湿度之间呈现单值上升关系。在25.8～100％RH湿度范围内，获得了25组实验标定数据。湿度传感器离子流值作为输入样本，湿度标定值作为期望输出样本数据。采用线性插值，在25.8～100％RH湿度范围内以0.5％RH为步长进行等间距插值，获得150组插值数据，并与25组实验标定数据组成数据库。选用45组插值数据作为训练样本，25组实验标定数据作为检验样本，输入数据融合仪，通过训练检验，获得氮气中湿度测量模型。该湿度测量模型的线性度为0.15％，25组检验样本的检验结果引用误差最大值为0.2％，达到了1％的湿度测量准确度。 

实施例2 

本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的三个电极中相邻两个电极间的极间距分别为250μm、30μm，第一电极1与第二电极2极板正对面积为0.01mm²，第二电极2与第三电极3极板正对面积为0.01mm²。 

第一电极1的电极表面的透气孔有1个，透气孔为四边形、五边形或六边形；第二电极2中心引出孔为4个，引出孔为四边形、五边形或六边形；第三电极3盲孔的数量为4个，盲孔为3～6棱柱或棱锥体。 

本实施例的湿度测量方法与实施例1基本相同，所不同的是： 

碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的第一电极阴极电压为0V，第二电极引出极加载电压2V，第三电极收集极加载电压1V。 

实施例3 

本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的三个电极中相邻两个电极间的极间距分别为250μm、30μm，第一电极1与第二电极2极板正对面积为10mm²，第二电极2与第三电极3极板正对面积为100mm²。 

第一电极1的电极表面的透气孔有4个，透气孔为四边形、五边形或六边形；第二电极2中心引出孔为2个，引出孔为四边形、五边形或六边形；第三电极3盲孔的数量为2个，盲孔为3～6棱柱或棱锥体。 

本实施例的湿度测量方法与实施例1基本相同，所不同的是： 

碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器的第一电极阴极电压为0V，第二电极引出极加载电压200V，第三电极收集极加载电压180V。 

本发明通过碳纳米管薄膜电离式气体湿度传感器、pA级电流测量系统检测传感器输出、分段插值及数据融合方法，形成一种新型、可以测量各种待测气体湿度、线性度好、准确度高的气体湿度测量方法。本发明传感器直接测量气体湿度并输出pA级以上微弱离子流；pA级电流测量系统可检测气体湿度传感器输出的pA级离子流；分段插值与数据融合方法，可获得准确度高的气体湿度测量值。 

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。