納米碳管氣敏傳感器及隨機(jī)共振檢測(cè)系統(tǒng)的研究.pdf

1、目前氣體檢測(cè)基本運(yùn)用了傳感器的敏感元件對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)；但這類傳感器普遍存在受外界環(huán)境影響大，吸附、脫附時(shí)間長(zhǎng)，可重復(fù)性差，氣體選擇性小，使用周期短，檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜，成本高等缺點(diǎn)。為此提出了一種新的氣敏傳感器設(shè)計(jì)思想，它利用高電場(chǎng)電離待測(cè)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(qiáng)的電場(chǎng)，使得這種傳感器的使

2、用受到了安全和費(fèi)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(lì)下，納米碳管的尖端會(huì)形成很強(qiáng)的非均勻電場(chǎng)，在電壓相對(duì)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(duì)碳管生長(zhǎng)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(zhǎng)出定向納

3、米碳管，但通常所需的生長(zhǎng)時(shí)間都很長(zhǎng)．實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)，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(jiǎn)化了器件結(jié)構(gòu)和工藝，控制和測(cè)量都很方便。 納米碳管氣敏傳感器工作時(shí)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(shí)驗(yàn)中在外加電壓不超過500V的情況下，該傳感器成功地對(duì)氬氣、空氣、氮?dú)夂投趸歼M(jìn)行了檢測(cè)；同時(shí)也對(duì)不同濃度的氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w、氬氣和空氣的混合氣體、氨氣和空氣的混合氣體以及氮?dú)夂桶睔獾幕旌蠚怏w進(jìn)行了地檢測(cè)。對(duì)于外界的環(huán)境溫度、濕度的影響也給予了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快，可靠性高和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，有較大的實(shí)用價(jià)值。

5、 弱信號(hào)檢測(cè)是傳感器檢測(cè)技術(shù)正在發(fā)展的領(lǐng)域，一般考慮弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)時(shí)往往把注意力集中到如何抑制噪聲上，而檢測(cè)系統(tǒng)在抑制噪聲的同時(shí)，被測(cè)信號(hào)也受到抑制或損害。隨機(jī)共振理論的提出，為微弱信號(hào)檢測(cè)提供了新的途徑。隨機(jī)共振的本質(zhì)是由于輸入信號(hào)、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(hào)能量?；陔S機(jī)共振的弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法的區(qū)別在于它是利用噪聲而不是消除噪聲來達(dá)到信號(hào)檢測(cè)的目的。因此隨機(jī)共振現(xiàn)象在微弱信號(hào)檢測(cè)方面有著

6、獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(jìn)行檢測(cè)，然而對(duì)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(jī)共振在弱信號(hào)檢測(cè)方面的成功應(yīng)用，創(chuàng)新地提出了將隨機(jī)共振檢測(cè)系統(tǒng)引入氣敏傳感器領(lǐng)域來提高檢測(cè)的靈敏度。文中構(gòu)建了基于隨機(jī)共振的氣敏傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，采用了多層隨機(jī)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(duì)氣體不同的濃度的區(qū)分，從而提高了傳感器