專利名稱：場致電離納米氣體傳感器及制作方法
所屬領域 本發明涉及氣體檢測領域和納米傳感器領域，特別是涉及一種場致電離納米氣體傳感器及制作方法。
背景技術：
場致電離效應是利用固體表面在強電場作用下產生的隧道電離效應而將電場周圍的氣體電離，電離產生的離子和電子在極間電場的作用下遷移運動形成電流，稱之為暗電流。當離子達到一定數量時會產生雪崩效應電流驟增，稱之為擊穿。用來電離的電極尖端曲率半徑越小則電離效果越好，采用一維納米材料作為場致電離器件的電離尖端有效地降低氣體的擊穿電壓，提高器件的穩定性。不同氣體具有不同的電離能，因而具有不同的電離電壓，在真空中，單一氣體對應的擊穿電壓是固定不變的，但是在混合空氣中，由于氣體成分復雜擊穿電壓會在小范圍內波動。但是室內的氣體成分一定時，少量敏感氣體會使擊穿電壓發生較大的變化，這就是本發明的檢測原理。
用于場致電離納米氣體傳感器的一維納米材料必須符合以下幾個條件1、納米材料的尖端尺寸小，利于敏感氣體的電離，可以有效地降低擊穿電壓。2、納米材料的抗氧化性能好，空氣中的氧氣對材料尖端的氧化非常嚴重，這就需要材料本身具有很強的抗氧化性能。3、納米材料的強度大，并且與基底結合牢固，在場致電離過程中，離子和電子對材料的轟擊非常厲害，要求材料具有很高的強度，而且要牢固地結合在基底上，否則會脫離基底飛到對電極或者空氣中，影響檢測結果。
氣體傳感器的類型很多，但是利用場致電離效應的氣體傳感器還只停留在理論的研究階段，特別是用一維納米材料作為場致電離尖端的納米氣體傳感器還只是在真空中的理論研究。Ashish Modi等人2003年在《Nature》上發表了關于碳納米管場致電離氣體傳感器的文章，文章中檢測的氣體是在真空狀態下對單一氣體的檢測，目前，能夠在混合空氣中檢測某種氣體成分的場致電離氣敏元件并沒有報道，更沒有關于場致電離納米氣體傳感器結構及制作方法的報道。
目前，檢測氣體通常使用的是接觸燃燒式氣體傳感器、氧化物半導體氣體傳感器和電化學氣體傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時對鉑絲通以電流，保持300℃～400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升。通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。接觸燃燒式氣體傳感器只適用于可燃性氣體，且選擇性差，檢測范圍為氣體的爆炸下限以下。
電化學氣體傳感器一般利用液體(或固體、有機凝膠等)電解質，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產生的電流，也可以是離子作用于離子電極產生的電動勢。電化學氣體傳感器靈敏度高、選擇性好，但是電化學氣體傳感器易受到電解液干涸或環境濕度變化等因素的影響，需要經常標定，且使用壽命短。
半導體氣敏傳感器中半導體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減小；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于N型半導體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的還原性氣體(如C2H5OH、CO等)時，原來吸附的氧脫附，而由還原性氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表面；氧脫附放出電子，還原性氣體以正離子狀態吸附也要放出電子，從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。還原性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態。這就是半導體氣敏元件檢測還原性氣體的基本原理。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩定性好、使用簡單的特點，但只適用于檢測還原性氣體，且選擇性不好。
專利CN 1527051A利用納米材料檢測有機氣體，屬于氣敏傳感器，該專利是用納米材料的催化性能將有機氣體催化離解產生離子，用電極來檢測離子的濃度，該專利的局限性在于納米材料的催化作用專一性非常強，不同的催化劑催化不同的有機氣體，即用不同催化材料做成的傳感器只對某種或某幾種有機氣體敏感，其它氣體不會響應。
發明內容
本發明要解決的技術問題即本發明目的是克服現有氣體傳感器的不足之處，提供一種結構簡單、使用方便、選擇性高的場致電離納米氣體傳感器及制作方法。
本發明的技術方案是一種場致電離納米氣體傳感器，包括底座，管腳，場致電離納米尖端，金屬網，金屬針，其特征在于底座上有5～10根管腳，四根長管腳用于場致電離納米尖端的固定和電極引出，其余的為短管腳，高度相同，作為金屬針的引出電極，金屬針穿過底座中間的小孔固定在場致電離納米尖端的下方，其距離根據需要調節，金屬網罩在場致電離納米尖端上方，用鋼箍將其固定在底座上。
底座采用絕緣硬質材料，包括樹脂材料，底座的中心有小孔，孔徑略大于金屬針的直徑，使金屬針剛好穿過，在底座的下方有凹槽，能夠容納金屬針尾部的圓頭的前部，管腳為金屬材料，穿過底座，并且與底座是一體的，底座上方有四根長管腳和1～6根短管腳，底座下方的長短管腳各自高度相同，用于場致電離納米氣體傳感器應用時的裝配。
采用一維納米材料陣列作為場致電離納米尖端，包括碳納米管陣列，氧化鋅納米線陣列，氧化錫納米線陣列，將一維納米材料陣列固定在基底上，采用硅片作為固定場致電離納米尖端的基底或采用金屬片作為固定場致電離納米尖端的基底，然后再將基底固定在長管腳上。
金屬網被鋼箍包裹，鋼箍用于將金屬網固定在底座上，金屬針尾部有圓頭，其作用在于場致電離納米氣體傳感器的制作過程中能夠使金屬針方便地固定在螺旋測微器的螺桿上，制作完成時又能方便地將金屬針從螺旋測微器的螺桿上卸下。
場致電離納米氣體傳感器中的金屬針是單根或者是多根構成傳感器陣列，每根金屬針對應一根短管腳作為其引出電極。
一種場致電離納米氣體傳感器的制作方法，其特征在于先將場致電離納米尖端粘在基底上，然后將基底焊接在四根長的管腳上，使長管腳與場致電離納米尖端歐姆連接，將金屬針穿過底座中心的小孔，將金屬針尾部的圓頭后部粘在螺旋測微器的螺桿上，然后將底座固定在加工平臺上，將場致電離納米尖端與金屬針作為兩電極連接在電路中，根據調節距離的需要設定電路中的電壓值，用螺旋測微器調節金屬針與場致電離納米尖端之間的距離，當電路中的電流驟增，出現擊穿現象時，金屬針即在合適的位置，此時將金屬針固定在底座上，再將底座和金屬針從加工平臺上卸下，并用導線將金屬針與短管腳焊接起來，最后罩上金屬網，即得到單根金屬針的場致電離納米氣體傳感器，多金屬針的場致電離氣體傳感器陣列的加工方法即是重復以上加工方法中的金屬針固定方法。
本發明相對于現有技術的有益效果是其一，現有技術專利1527051A是用納米材料的催化性能將有機氣體催化離解產生離子，用電極來檢測離子的濃度，其局限性在于納米材料的催化作用專一性強，不同的催化劑催化不同的有機氣體，即用不同催化材料做成的氣敏傳感器只對某種或某幾種有機氣體敏感，其它氣體不會響應，本發明的氣體傳感器結構是采用一維納米材料陣列作為場致電離納米尖端電離氣體，利用一維納米材料曲率半徑小的特點，相對于現有技術有效地增強了對氣體的電離效果，提高了氣體傳感器的靈敏度和選擇性。同時本發明的氣體傳感器可以檢測任何氣體，包括有機氣體和無機氣體(如氧氣、氮氣等)。
其二，本發明的場致電離納米尖端由基底和一維納米材料粘接而成，一維納米材料尖端向下，背面用金漿與基底材料粘接在一起，基底材料采用硅片或采用金屬片作為固定場致電離納米尖端的基底。說明本發明利用一維納米材料的強度大，并且與基底結合牢固的特點，在場致電離過程中，離子和電子對材料的轟擊非常厲害時，一維納米材料仍具有很高的強度，能夠牢固地結合在基底上，不會脫離基底飛到對電極或者空氣中，影響檢測結果。
其三，在本發明的場致電離納米氣體傳感器的制作方法中每根金屬針都與場致電離納米尖端構成場致電離氣體傳感器，多根金屬針即為場致電離氣體傳感器陣列。其中每個場致電離納米尖端與金屬針作為兩電極連接在電路中，根據調節距離的需要設定電路中的電壓值，用螺旋測微器調節金屬針與場致電離納米尖端之間的距離，將場致電離納米尖端與金屬針之間的距離控制在十幾～幾十微米，有利于氣體的流動，又降低了氣體傳感器的擊穿電壓，提高了氣體傳感器的穩定性。同時場致電離氣體傳感器的陣列結構提高了傳感器對混合氣體的測試能力。
圖1是制作場致電離納米氣體傳感器的加工平臺示意圖；圖2為場致電離納米氣體傳感器的結構圖；圖3是粘在硅片基底上作為場致電離納米尖端的碳納米管陣列掃描電鏡照片。
圖1中1、場致電離納米尖端；2、金屬網；3、底座；4、金屬針；5、短管腳；6、長管腳；7、擋板；8、螺旋測微器；9、底板；10、電路；11、場致電離納米氣體傳感器。
場致電離納米尖端1，由基底和一維納米材料粘接而成，基底下表面涂一層金漿，一維納米材料尖端向下，背面用金漿與基底材料粘接在一起；金屬網2，有鋼箍將其固定在底座上；底座3呈圓盤形，中間比邊緣厚，在底座3的下方中心有個凹槽，凹槽中心有小孔，整個底座3由絕緣材料制成；金屬針4其尾部有圓頭，在制作過程中用來粘接在螺旋測微器8的螺桿的前端，且易于卸下來，并且穿過場致電離納米氣體傳感器底座3中心的小孔，以長管腳6和金屬針4為兩電極將其連接在電路10中，金屬針4的數目決定短管腳5的數目，每根金屬針4都與場致電離納米尖端1構成場致電離氣體傳感器11，多根金屬針4即為場致電離氣體傳感器陣列。長管腳6和短管腳5由金屬材料制成，為圓柱形，四根長管腳6，其余的為短管腳5，根據金屬針4的數目確定短管腳5的數目，每根金屬針4對應一根短管腳5作為其引出電極；在底板9上豎起來的兩塊擋板7，前擋板7是用來固定場致電離納米氣體傳感器的底座3的；螺旋測微器8的螺桿，穿過并固定在后擋板7上；底板9起到支撐的作用；被加工的場致電離納米氣體傳感器11，由底座3、長短管腳5、6和場致電離納米尖端1組成，電路10由電源模塊、負載電阻和電流表組成，電源模塊可以提供0-1000V的電壓，其電壓值設定不變，用螺旋測微器8調節金屬針4與場致電離納米尖端1的距離，當電路10中的電流驟增，出現擊穿現象，此時的距離就是需要的距離，即可將金屬針4固定在底座3上，然后卸下被加工的場致電離納米氣體傳感器11，并將金屬針4與短管腳5用導線焊接起來，罩上金屬網2，單根金屬針4的場致電離納米氣體傳感器11即加工完成，多金屬針4的場致電離氣體傳感器陣列的加工方法即是重復以上加工方法中的金屬針4固定方法。
在圖2為場致電離納米氣體傳感器的結構圖中1是場致電離納米尖端，由基底和一維納米材料粘接而成，基底下表面涂一層金漿，一維納米材料尖端向下，背面用金漿與基底材料粘接在一起；2是金屬網，有鋼箍將其固定在底座上；3是底座，呈圓盤形，中間比邊緣厚，在底座的下方中心有個凹槽，凹槽中心有小孔，整個底座由絕緣材料制成；4是金屬針，其尾部有圓頭，在制作過程中用來粘在螺旋測微器的螺桿上，且易于卸下來，金屬針4的數目決定短管腳5的數目，每根金屬針4都與場致電離納米尖端1構成場致電離氣體傳感器11，多根金屬針即為場致電離氣體傳感器陣列。5是短管腳，6是長管腳，由金屬材料制成，為圓柱形，有四根長管腳6，其余的為短管腳5，根據金屬針4的數目確定短管腳5的數目，每根金屬針4對應一根短管腳5作為其引出電極。
圖3是粘在硅片基底上作為場致電離納米尖端的碳納米管陣列掃描電鏡照片，圖中的碳納米管陣列采用模板法和化學氣相沉積法結合制備，作為場致電離納米尖端，從圖中可以看到碳納米管的平均直徑為60nm，高度約為幾個微米，取向一致，對氣體的電離效果好，能夠有效降低了氣體傳感器的擊穿電壓。
具體實施例方式
場致電離納米氣體傳感器的具體制作步驟如下實施例1采用化學氣相沉積的方法制備碳納米管陣列，其制備過程如下首先在硅片襯底上蒸一層金，隨后用磁控濺射方法在上面沉積鐵催化劑，再利用化學氣相沉積的方法在上面生長碳納米管陣列。采用硅片作為基底，在上面蒸一層金，然后用導電膠將碳納米管陣列粘在硅片基底上作為場致電離納米尖端1。
將場致電離納米尖端1焊接在四根長管腳6上，將底座3固定在加工平臺的前擋板7上，將金屬針4穿過底座3中心的小孔，金屬針4尾部圓頭后部用雙面膠粘在螺旋測微器螺桿8的頂部，然后將金屬針4和場致電離尖端1作為兩電極連接在電路10中，根據需要調節的金屬針4和場致電離尖端1之間的距離設定電路10中電源模塊的電壓值，通過調節螺旋測微器8來調節金屬針4和場致電離尖端1之間的距離，同時觀察電路10中電流表的變化，當電流驟增出現擊穿現象時停止調節，切斷電路10的回路，向底座3中的小孔滴加環氧樹脂膠，當環氧樹脂膠粘牢固時，將被加工的場致電離納米氣體傳感器11從加工平臺上取下，將金屬針4與短管腳5用導線焊接起來，罩上金屬網2，即完成場致電離納米氣體傳感器11的制作。
實施例2采用氧化鋁模板和化學氣相沉積的方法制備孔徑均勻，取向一致的碳納米管陣列，其制備過程如下多孔氧化鋁模板利用二次陽極氧化法所制得。其具體步驟如下將高純鋁片(99.99％)剪成直徑為22mm的小片，用有機溶劑清洗，完畢后在N2保護500℃下退火4個小時，自然冷卻。將退火后的鋁片用丙酮超聲清洗，于0℃下在拋光液(無水乙醇與高氯酸的體積比為9∶1)中通電拋光。對拋光好的鋁片進行一次陽極氧化，電解液為0.3M的草酸溶液，一次氧化層用磷酸(6wt％)和鉻酸(1.8wt％)混合酸溶液除去，然后在與一次陽極氧化條件相同的條件下進行二次陽極氧化。二次氧化后，利用飽和SnCl4溶液除去背面的鋁，由于在鋁層和氧化鋁模板間有一阻礙層，所以用磷酸除去阻礙層，同時也為擴孔處理。最后對其清洗干燥就可得到所需的多孔氧化鋁模板。
將通過二次陽極氧化制得的氧化鋁模板放入石英舟，置于放在管壁爐中的石英管中。首先通入氮氣以排出管中的空氣以及其它殘余氣體，流量為200sccm。然后加熱至600℃，待溫度穩定后通入乙炔，將氮氣流量調整至100sccm，乙炔與氮氣的體積流量比為10∶100，通入乙炔的時間為40min。反應結束后退火處理，退火的時間為10h。然后在氮氣保護下自然冷卻至室溫。將沉積過碳納米管的模板在350℃下空氣氣氛中加熱1h，以除去表面的無定形碳。取樣品利用10％NaOH溶液溶解部分氧化鋁，然后在氧化鋁背面蒸一層金。在硅基底上蒸一層金，用導電膠將氧化鋁模板背面粘在硅襯底上，作為場致電離納米尖端1。
將場致電離納米尖端1焊接在四根長管腳6上，將底座3固定在加工平臺的前擋板7上，將金屬針4穿過底座3中心的小孔，金屬針4尾部的圓頭后部用雙面膠粘在螺旋測微器螺桿8的頂部，然后將金屬針4和場致電離尖端1作為兩電極連接在電路10中，根據需要調節的金屬針4和場致電離尖端1之間的距離設定電路10中電源模塊的電壓值，然后調節螺旋測微器8來調節金屬針4和場致電離尖端1之間的距離，同時觀察電路10中電流表的變化，當電流驟增出現擊穿現象時停止調節，切斷電路10的回路，向底座3中的小孔滴加環氧樹脂膠，當環氧樹脂膠粘牢固時即將被加工的場致電離納米氣體傳感器11從加工平臺上取下，將金屬針4與短管腳5用導線焊接起來，罩上金屬網2，即完成場致電離納米氣體傳感器11的制作。
實施例3采用水熱法制備氧化鋅納米陣列，其制備過程如下將30ml 0.5M的NaOH溶液，5ml 30％的H2O2溶液加入容積為50ml的高壓釜中，攪拌均勻后加入一片1cm×1cm純凈平整的Zn片，密封后放入烘箱中加熱至160-200℃反應3-6小時。待反應后取出Zn片，用去離子水以及酒精洗滌，最后所得產物在40℃放入真空干燥箱中干燥即得到ZnO陣列。選擇不銹鋼作為襯底材料，涂一層金漿，將背面貼有金漿的ZnO上放入馬弗爐中，800℃加熱1小時，然后逐漸冷卻，即得到ZnO陣列的場致電離納米尖端。
然后將場致電離納米尖端1焊接在四根長管腳6上，將底座3固定在加工平臺的擋板7上，底座3的中心加工3個小孔，將金屬針4穿過底座3中心的一個小孔，金屬針4尾部的圓頭后部用雙面膠粘在螺旋測微器螺桿8的頂部，然后將金屬針4和場致電離尖端1作為兩電極連接在電路10中，根據需要調節的金屬針4和場致電離尖端1之間的距離設定電路10中電源模塊的電壓值，然后調節螺旋測微器8來調節金屬針4和場致電離尖端1之間的距離，同時觀察電路10中電流表的變化，當電流驟增出現擊穿現象時停止調節，切斷電路10的回路，向底座3中的小孔滴加環氧樹脂膠，當環氧樹脂膠粘牢固時將底座3和金屬針4從加工平臺上卸下，然后將第二根金屬針4穿過底座3中心的另外一個小孔，金屬針4尾部的圓頭后部用雙面膠粘在螺旋測微器螺桿8的頂部，將金屬針4和場致電離尖端1作為兩電極連接在電路10中，然后根據需要調節的金屬針4和場致電離尖端1之間的距離設定電路10中電源模塊的電壓值，為了使三根金屬針4組成的三個場致電離氣體傳感器陣列特性不同，這個電壓值也應與第一次的電壓值不同，再調節螺旋測微器8來調節金屬針4和場致電離尖端1之間的距離，同時觀察電路10中電流表的變化，當電流驟增出現擊穿現象時停止調節，切斷電路10的回路，向底座3中的小孔滴加環氧樹脂膠，當環氧樹脂膠粘牢固時將被加工的場致電離納米氣體傳感器11從加工平臺上取下，再用同樣的方法將第三根金屬針4插進去。最后將三根金屬針4分別與3根短管腳5用導線焊接起來，罩上金屬網2，即完成場致電離納米氣體傳感器的制作。
權利要求
1.一種場致電離納米氣體傳感器，其特征在于穿過底座(3)的金屬針(4)與底座(3)上置有的多只管腳且罩有金屬網(2)的場致電離納米尖端(1)相連接；1.1、所說場致電離納米尖端(1)由基底和一維納米材料粘接而成，一維納米材料尖端向下，背面用金漿與基底材料粘接在一起，同時采用一維納米材料陣列作為場致電離納米尖端(1)，金屬網(2)罩在場致電離納米尖端(1)的上方，用鋼箍將其固定在底座(3)上；1.2、所說底座(3)呈圓盤形由絕緣材料制成，中間比邊緣厚，在底座(3)的下方中心置有帶小孔的凹槽；1.3、金屬針(4)的針頭穿過凹槽中間的小孔固定在場致電離納米尖端(1)的下方，其距離根據需要調節，金屬針(4)通過尾部的圓頭固定連接在螺旋測微器(8)的螺桿上；1.4、所說管腳為穿過底座(3)由金屬材料制成的圓柱體短管腳(5)和長管腳(6)組成，且與底座(3)連接成一體，底座(3)上的長管腳(6)高度相同，用于場致電離納米尖端(1)基底的連接固定和電極引出，底座(3)上的短管腳(5)高度相同，作為金屬針(4)的引出電極。
2.根據權利要求1所述的一種場致電離納米氣體傳感器，其特征是所述采用一維納米材料陣列為場致電離納米尖端(1)，包括碳納米管陣列、氧化鋅納米線陣列、氧化錫納米線陣列。
3.根據權利要求1所述的一種場致電離納米氣體傳感器，其特征是所說場致電離納米尖端(1)的基底，采用硅片或采用金屬片作為固定場致電離納米尖端(1)的基底。
4.根據權利要求1所述的一種場致電離納米氣體傳感器，其特征是所說金屬針(4)是單根或多根構成傳感器陣列，每根金屬針(4)對應一根短管腳(5)作為其引出電極。
5.根據權利要求1中所述的一種場致電離納米氣體傳感器的制作方法，其特征在于該制作方法是按以下步驟完成的；先將場致電離納米尖端(1)粘在基底上，后將基底焊接在四根長管腳(6)上，使長管腳(6)與場致電離納米尖端(1)歐姆連接，再把金屬針(4)穿過底座(3)中心的小孔，接著將金屬針(4)尾部的圓頭粘在螺旋測微器(8)的螺桿上，之后將底座(3)固定在加工平臺上，然后將場致電離納米尖端(1)與金屬針(4)作為兩電極連接在電路(10)中，根據調節距離的需要設定電路(10)中的電壓值，用螺旋測微器(8)調節金屬針(4)與場致電離納米尖端(1)之間的距離，當電路(11)中的電流驟增，出現擊穿現象時，金屬針(4)在合適的位置，此時將金屬針(4)固定在底座(3)上，再將底座(3)和金屬針(4)從加工平臺上卸下，并用導線將金屬針(4)與短管腳(5)焊接起來，最后罩上金屬網(2)，得到單根金屬針(4)的場致電離納米氣體傳感器(11)，多金屬針(4)的場致電離氣體傳感器陣列的加工方法是重復以上加工方法中的金屬針(4)固定方法。
全文摘要
本發明涉及一種場致電離納米氣體傳感器及制作方法。傳感器包括場致電離納米尖端、金屬針，底座上有多根管腳，金屬針穿過底座中間的小孔固定在場致電離納米尖端的下方，金屬網罩在場致電離納米尖端上方，用鋼箍將其固定在底座上。所述的場致電離納米氣體傳感器的制作方法中，每根金屬針都與場致電離納米尖端構成場致電離氣體傳感器，多根金屬針即為場致電離氣體傳感器陣列。其中每個場致電離納米尖端與金屬針作為兩電極連接在電路中，用螺旋測微器調節金屬針與場致電離納米尖端之間的距離，同時采用一維納米材料作為傳感器的電離尖端，提高了場致電離納米尖端的電離能力，降低了氣體傳感器的擊穿電壓，提高了氣體傳感器的穩定性。
文檔編號G01N27/407GK1955732SQ20051009508
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月25日 優先權日2005年10月25日
發明者黃家銳, 孟凡利, 李民強, 黃仲嬰, 陳星 , 李廣義, 劉錦淮 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院