一種金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器制造技術

本發明專利技術公開了一種金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，包括三個自下而上依次分布的第一、第二和第三電極，第一電極由內表面附著有分布著蒸發沉積法生長金納米孔薄膜的金屬膜基底及設有小透氣孔的電極構成；第二電極由中心設有小引出孔的引出極構成；第三電極由板面設有小槽的收集極構成；三電極分別通過絕緣支柱相互隔離；小透氣孔的孔徑為0.8～5mm、小引出孔的孔徑為1.2～7mm，小槽的邊長和槽深分別為1.2×1.2～7×9mm和50～220μm；三電極之間的極間距按照小透氣孔、小引出孔的孔徑和小槽的邊長和槽深設定。該金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器根據電流大小檢測氣體濃度，工作電壓小，收集極電流大，靈敏度高，可檢測氮氣背景氣體中的一氧化碳氣體。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及氣體傳感領域，特別是一種金納米孔薄膜及氣體放電原理的電離式一氧化碳傳感器。
技術介紹
電力系統作為整個國民經濟的基礎，其安全、可靠運行對社會發展和人民生活意義重大。而變壓器作為電網的重要組成部分，其安全運行狀態自然備受關注。一氧化碳氣體作為變壓器油中主要故障特征氣體，其檢測對預測變壓器的潛伏性故障和智能電網的安全運行具有重要意義。目前達到實用化水準的一氧化碳傳感器主要分為金屬氧化物半導體型、電化學固體電解質型和電化學固體高分子電解質型等三種類型。其它，如觸媒燃燒型、場效應晶體管型及石英晶體諧振型等則使用較少。金屬氧化物半導體型一氧化碳傳感器有輸出信號與氣體體積分數為非線性關系、不適宜用在高體積分數氣體檢測的情況下、選擇性不佳等等缺點；固體電解質型一氧化碳傳感器則易被污染而老化；固體高分子電解質型一氧化碳傳感器體積較大、易受污染；觸媒燃燒型一氧化碳傳感器選擇性差、易被污染而老化、受風速影響大。由于這些傳感器檢測精度低、選擇性差等缺點，使得這些一氧化碳傳感器目前不能滿足實用需求。電離式傳感器主要分為兩電極和三電極結構，兩電極傳感器在大濃度范圍內具有多值非線性的敏感特性，難以構成可實用的傳感器。針對兩電極傳感器多值不能實用的瓶頸，西安交通大學張勇等研制出碳納米管三電極傳感器(圖1所示)。這個碳納米管三電極傳感器陰極有2個直徑為4mm的圓孔，引出極有1個直徑為6mm的圓孔，收集極有一個邊長為6×8mm、200μm深的槽。這個碳納米管三電極傳感器通過控制電極間距和電極電壓，產生兩個方向不同的電場，通過引出極與陰極之間的反向電場引出了放電空間的部分正離子，減少了對陰極碳管的轟擊。2013年，西安交通大學的蔡勝兵等人制作的電離式碳納米管氣體傳感器在0～200ppm的小量程范圍內對一氧化碳氣體的氣體放電特性進行了研究，得到了單值敏感特性(圖2)，輸出電流隨濃度的增加而增加。盡管獲得了單值敏感特性，但是該傳感器對一氧化碳氣體的測量具有量程小的問題，限制了應用。本課題組之前不斷改進三電極電離式碳納米管結構，并利用三電極電離式碳納米管傳感器對變壓器其他的故障特征氣體進行了研究，并未對一氧化碳氣體進行研究。而課題組的楊爽研制了最優結構的三電極電離式鍍金碳納米管傳感器(圖3)，該三電極電離式鍍金碳納米管傳感器陰極有2個直徑為5mm的半圓孔，引出極有6個直徑為2mm的圓孔。使用這個最優結構的三電極電離式鍍金碳納米管傳感器對一氧化碳氣體的氣體放電特性進行了研究，得到了一氧化碳氣體的氣體濃度和收集極電流具有單值敏感特性(圖4)，輸出電流隨濃度的增加而減小。但是傳感器靈敏度低，并不夠理想。為了進一步提高傳感器的實用性能，提高其靈敏度，還需對傳感器結構進行優化。
技術實現思路
本專利技術的目的之一，是提供一種金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，對現有技術碳納米管薄膜電離式一氧化碳傳感器進行進一步的改進，本專利技術采用了金屬納米多孔材料代替碳納米管薄膜，金屬納米多孔材料不但具有大的內表面積、高孔隙率和較均勻的納米孔，而且具有金屬材料的抗腐蝕、高導電率、高導熱率、抗疲勞等優異的性能。引出極設有小引出孔，將現有三電極傳感器反向電場范圍增大，提高正離子引出數量，從而提高引出的離子流；降低了傳感器工作電壓，提高了傳感器靈敏度。獲得本專利技術電離式一氧化碳傳感器收集電流與單一氣體一氧化碳濃度單值對應關系。該傳感器結構簡單、體積小、靈敏度高、成本合理。本專利技術的目的是通過下述技術方案來實現的。一種金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，包括三個自下而上依次分布的第一電極、第二電極和第三電極，所述第一電極由內表面附著有分布著金納米孔的金屬膜基底以及設有小透氣孔的電極構成；所述第二電極由中心設有小引出孔的引出極構成；所述第三電極由板面設有小槽的收集極構成；該三個電極分別通過絕緣支柱相互隔離；所述第一電極內表面金屬膜基底上采用蒸發沉積法生長金納米孔薄膜材料；所述小透氣孔的孔徑設定在0.8～5mm、小引出孔的孔徑為1.2～7mm，小槽的邊長和槽深分別為1.2×1.2～7×9mm和50～220μm；三電極之間的極間距按照小透氣孔、小引出孔的孔徑和小槽的邊長和槽深設定。進一步，所述小透氣孔的孔徑為0.8～5mm時，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔的孔徑之比為13/1000～1/8。1、進一步，所述小引出孔的孔徑為1.2～7mm時，第一電極與第二電極之間極間距與小引出孔的孔徑之比為13/1400～1/12，第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔的孔徑之比為13/1400～1/12。2、進一步，所述小槽的邊長和槽深分別為1.2×1.2～7×9mm和50～220μm時，第二電極與第三電極之間極間距與小槽的槽深之比為13/44～2/1。進一步，所述第一電極的電極表面的小透氣孔為1～20個；所述第二電極引出極的小引出孔設有1～20個；所述第三電極收集極的小槽設有1～20個。相應地，本專利技術還給出了一種金納米孔電離式一氧化碳傳感器的金納米孔制備到金屬膜基底的方法，包括下述步驟：1)鍍膜前預處理：選用刻蝕有透氣孔的硅片作為基體并進行鍍膜前預處理；2)濺射：在真空條件下分別在三個基片上依次濺射鈦膜、鎳膜和金膜，三層薄膜厚度分別為50nm、400nm和125nm；3)退火：將濺射有鈦鎳金薄膜的硅基底快速退火30～80s，退火溫度為400～500℃；4)金納米孔材料制備：在真空度為3×10-3Pa，在濺射有Ti/Ni/Au膜硅基底上，采用蒸發沉積法生長金納米孔薄膜材料，金納米孔的平均尺寸為350nm，高度為1.8μm；5)進行微觀形貌檢測，自此完成金屬膜基底金納米孔薄膜材料的生長過程。進一步，步驟2)中，濺射條件為：真空度為2.5×10-3Pa，濺射溫度為30～40℃，依次濺射鈦膜、鎳膜和金膜濺射時間分別為7min、50min和13min。進一步，步驟4)中，蒸發沉積法生長金納米孔薄膜材料沉積率為1.5nm/s，沉積時間為20min。本專利技術具有以下技術效果：1)在第一電極內表面金屬膜基底上采用蒸發沉積法生長金納米孔薄膜材料，可以延長傳感器的壽命。2)第一電極小透氣孔、第二電極小引出孔和第三電極小槽的邊長和槽深的設計，利于氣體分子進入傳感器和散熱；能夠引出更多的正離子，提高檢測氣體靈敏度并延長壽命；收集更多的正離子，提高傳感器收集電流。3)通過三電極之間的極間距按照小透氣孔的孔徑、小引出孔的孔徑和小槽的邊長和槽深設定，傳感器極間距與小透氣孔、小引出孔和小深槽之間的比值優化，提高了傳感器收集極電流，檢測氣體的靈敏度進一步增大。本專利技術能夠準確在線檢測氮氣中一氧化碳氣體濃度，通過結構設計該金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器收集電流高，工作電壓低，檢測氣體靈敏度高，成本低，壽命長。附圖說明圖1是碳納米管薄膜三電極氣體傳感器立體結構示意圖。圖2是碳納米管薄膜三電極氣體傳感器的離子流與氣體濃度的單值敏感特性。圖3是鍍金碳納米管薄膜三電極氣體傳感器立體結構示意圖。圖4是鍍金碳納米管薄膜三電極氣體傳感器的收集電流與氣體濃度的單值敏感特性。圖5是本專利技術金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器立體結構示意圖；圖6是本專利技術金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器電極三維展示圖。圖7是本專利技術金納米孔本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，包括三個自下而上依次分布的第一電極、第二電極和第三電極，其特征在于：所述第一電極由內表面附著有分布著金納米孔的金屬膜基底以及設有小透氣孔的電極構成；所述第二電極由中心設有小引出孔的引出極構成；所述第三電極由板面設有小槽的收集極構成；該三個電極分別通過絕緣支柱相互隔離；所述第一電極內表面金屬膜基底上采用蒸發沉積法制備金納米孔薄膜材料；所述小透氣孔的孔徑設定在0.8～5mm、小引出孔的孔徑為1.2～7mm，小槽的邊長和槽深分別為1.2×1.2～7×9mm和50～220μm；三電極之間的極間距按照小透氣孔的孔徑、小引出孔的孔徑和小槽的邊長和深度設定。

【技術特征摘要】
1.一種金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，包括三個自下而上依次分布的第一電極、第二電極和第三電極，其特征在于：所述第一電極由內表面附著有分布著金納米孔的金屬膜基底以及設有小透氣孔的電極構成；所述第二電極由中心設有小引出孔的引出極構成；所述第三電極由板面設有小槽的收集極構成；該三個電極分別通過絕緣支柱相互隔離；所述第一電極內表面金屬膜基底上采用蒸發沉積法制備金納米孔薄膜材料；所述小透氣孔的孔徑設定在0.8～5mm、小引出孔的孔徑為1.2～7mm，小槽的邊長和槽深分別為1.2×1.2～7×9mm和50～220μm；三電極之間的極間距按照小透氣孔的孔徑、小引出孔的孔徑和小槽的邊長和深度設定。2.根據權利要求1所述的金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，其特征在于：所述小透氣孔的孔徑為0.8～5mm時，第一電極與第二電極之間極間距與小透氣孔的孔徑之比為13/1000～1/8。3.根據權利要求1所述的金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，其特征在于：所述小引出孔的孔徑為1.2～7mm時，第一電極與第二電極之間極間距與小引出孔的孔徑之比為13/1400～1/12，第二電極與第三電極之間極間距與小引出孔的孔徑之比為13/1400～1/12。4.根據權利要求1所述的金納米孔薄膜電離式一氧化碳傳感器，其特征在于：所述小槽的邊長和槽深分別為1.2×1.2～7×9mm和50～220μm時，第二電極與第三電...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張勇，童佳明，張嘉祥，潘志剛，程珍珍，張健鵬，梁冰點，陳麒宇，張晶園，賀永寧，李昕，劉定新，楊愛軍，王小華，榮命哲，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61