納米碳管氣敏傳感器及隨機共振檢測系統(tǒng)的研究.pdf

1、目前氣體檢測基本運用了傳感器的敏感元件對氣體的吸附特性來改變其電學(xué)特性如電阻、電容、頻率等參數(shù)，從而實現(xiàn)對氣體的檢測；但這類傳感器普遍存在受外界環(huán)境影響大，吸附、脫附時間長，可重復(fù)性差，氣體選擇性小，使用周期短，檢測設(shè)備復(fù)雜，成本高等缺點。為此提出了一種新的氣敏傳感器設(shè)計思想，它利用高電場電離待測氣體，根據(jù)擊穿電壓和放電電流的不同來區(qū)分氣體。然而在常溫大氣壓下，要使氣體具有穩(wěn)定的導(dǎo)電能力需要很高的電壓建立足夠強的電場，使得這種傳感器的使

2、用受到了安全和費用等問題的限制。納米碳管的出現(xiàn)有效地解決了該問題，在外加直流電壓激勵下，納米碳管的尖端會形成很強的非均勻電場，在電壓相對較低的情況下能很容易地電離氣體且獲得較大的放電電流。 本文研究了一種基于氣體放電原理的定向納米碳管陣列的氣敏傳感器。其中定向納米碳管陣列的制備采用了陽極氧化鋁(AAO)模板法，利用氧化鋁的納米孔壁對碳管生長過程中起到的限制作用來保證其定向性。雖然目前已有許多研究小組都能在AAO模板上生長出定向納

3、米碳管，但通常所需的生長時間都很長．實驗中通過交流電沉積法在AAO模板納米孔底沉積了鈷催化劑，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法數(shù)分鐘內(nèi)就能快速生長定向納米碳管。AAO模板法制得的納米碳管陣列與鋁基底相連，因此在用納米碳管做電極時，基底作為電極一端引出，可以方便地與外部電路連接。由于納米碳管和電極是一體的，簡化了器件結(jié)構(gòu)和工藝，控制和測量都很方便。 納米碳管氣敏傳感器工作時以納米碳管陣列作為陽極，鋁板為陰極，聚酰亞胺絕緣薄膜用來調(diào)節(jié)兩

4、極間距離，可以通過使用不同厚度的絕緣薄膜的方法來改變距離，使極間距離在數(shù)十至數(shù)百微米內(nèi)可調(diào)。實驗中在外加電壓不超過500V的情況下，該傳感器成功地對氬氣、空氣、氮氣和二氧化碳進行了檢測；同時也對不同濃度的氮氣和氬氣的混合氣體、氬氣和空氣的混合氣體、氨氣和空氣的混合氣體以及氮氣和氨氣的混合氣體進行了地檢測。對于外界的環(huán)境溫度、濕度的影響也給予了分析，實驗結(jié)果表明該傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時間快，可靠性高和重復(fù)性好等優(yōu)點，有較大的實用價值。

5、 弱信號檢測是傳感器檢測技術(shù)正在發(fā)展的領(lǐng)域，一般考慮弱信號檢測技術(shù)時往往把注意力集中到如何抑制噪聲上，而檢測系統(tǒng)在抑制噪聲的同時，被測信號也受到抑制或損害。隨機共振理論的提出，為微弱信號檢測提供了新的途徑。隨機共振的本質(zhì)是由于輸入信號、噪聲和非線性系統(tǒng)的共同作用，使部分噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號能量。基于隨機共振的弱信號檢測技術(shù)與傳統(tǒng)檢測方法的區(qū)別在于它是利用噪聲而不是消除噪聲來達到信號檢測的目的。因此隨機共振現(xiàn)象在微弱信號檢測方面有著

6、獨特的優(yōu)勢，受到了廣泛的關(guān)注。 本文所研制的納米碳管氣敏傳感器能夠?qū)Πǘ栊詺怏w在內(nèi)的多種單一氣體和確定性混合氣體進行檢測，然而對于混合氣體在某些濃度范圍內(nèi)卻無法有效地分辨。鑒于隨機共振在弱信號檢測方面的成功應(yīng)用，創(chuàng)新地提出了將隨機共振檢測系統(tǒng)引入氣敏傳感器領(lǐng)域來提高檢測的靈敏度。文中構(gòu)建了基于隨機共振的氣敏傳感器檢測系統(tǒng)，采用了多層隨機共振算法來提高精度，根據(jù)信噪比最大值之間的差值完成了對氣體不同的濃度的區(qū)分，從而提高了傳感器