专利名称：碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器及其温度测量方法
技术领域：
本发明涉及气体温度检测领域，特别是一种基于碳纳米管薄膜及气体放电原理的 电离式气体温度传感器及其温度测量方法。
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。碳纳米管温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，成为气体温度检测领域的研究热点。碳纳 米管薄膜两电极电离式气体温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温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 CNT薄 膜阴极两电极传感器的温敏特性(图1)，即空气中击穿电压与温度的关系。该两电极传感 器在温度为10摄氏度时击穿电压高达360伏，温度为60摄氏度时击穿电压也在150伏以 上，工作电压高，没有构成碳纳米管薄膜两电极气体温度传感器。因此，目前对碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器及其温度测量方法的研究，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温度传感器，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温度传 感器收集极收集的离子流与气体温度的单值对应关系，克服碳纳米管薄膜两电极传感器温 敏特性的工作电压高、量程范围窄的问题。本发明传感器结构简单，成本低，测量气体温度 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温度传感器的温度 测量方法，由碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器测量待测气体温度；该温度测量方法要 求的硬件结构简单，能测量易燃易爆及有毒气体温度，采用数据融合算法，测量气体温度准 确度高。本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。所述碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器，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30 250 μ m ；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温度传感器的气体温度测量 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30 250 μ m的碳纳米管薄膜 电离式气体温度传感器；(2)将碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器放置在待测气体温度环境中；(3)对碳纳米管薄膜电离式气体温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)在待测气体温度测量范围内，对应不同的温度标定值，测量传感器输出的气体 放电离子流值；(5)将步骤中测得的传感器输出离子流值与相应的温度标定值，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温度测量数据库；(6)采用数据融合技术，构建数据融合仪，建立气体温度传感器的温度测量模型， 分别以气体温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温度准确测量模型；(7)将碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器实测时输出的离子流值输入步骤(6) 获得的气体温度测量模型，该模型输出气体温度的准确测量值。本发明方法特征还在于所述碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器中，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。所述建立气体温度测量数据库，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，将气体温度标定值及其插值数据作为期望 输出样本。所述采用数据融合技术建立气体温度测量模型，是采用分段插值技术对实验样本 进行插值，建立气体温度传感器的温度准确测量模型。基于碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器的气体温度测量方法，由碳纳米管薄膜 电离式气体温度传感器测量待测气体温度；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，在待测气体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温度测量数据库，获得传感器的单值温度敏感特性；根据气体温度 测量数据库中的数据，基于数据融合技术，建立气体温度传感器的温度准确测量模型；将实 测时传感器的输出实时地输入气体温度测量模型，就可以得到气体温度的实测结果。该气 体温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、测量范围窄的问题，要求 的硬件结构简单，能测量易燃、易爆及有毒气体温度，并且成本低，测量气体温度灵敏度高、 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温度传感器来测量温度，可实现各种 气体温度的测量，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，在温度测量范围内，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、测温范围窄的问题，并且工作电压低于200伏，测 温范围更宽，可用于易燃、易爆、有毒气体的温度测量。本发明由于采取了基于碳纳米管薄 膜电离式气体温度传感器的温度测量方法，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，可实现气体温度的准确测量。
图1是现有技术碳纳米管薄膜两电极温度传感器的击穿电压与空气环境温度的 关系。图2是本发明碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器结构示意图；图3是本发明基于碳纳米管薄膜电离式气体温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温度传感器输出的气体放电离子流与空 气环境温度的单值关系；图5是本发明碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器输出的气体放电离子流与氮 气环境温度的单值关系。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。
具体实施例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温度传感器，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温度传感器实施例中，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分别设置在分布着碳纳米管薄膜的金属膜基底5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温度传感器在测量气体温度时， 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温度传感器输出的离子流与气体温度之间，在 第二电极施加一定电压的基础上，呈现单值关系(图4、图5所示)。通过分段插值及数据 融合，实现了气体温度的测量准确度。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温度测量方法的特征。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温度传感器测量气体 温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温度传感器，实验获得了空气中的单 值温度特性(图4所示)，传感器输出的离子流输入数据融合建立的气体温度测量模型，获 得了准确度小于的空气中的温度测量值。图4所示的碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器检测空气环境温度的实施例中， 实验环境条件为相对湿度25. 7% RH、大气压力94. IKPa0气体温度传感器三个电极相邻电 极间的极间距均为170 μ m，传感器的第一电极1与第二电极2极板正对面积为17mm2，第二 电极2与第三电极3极板正对面积为190mm2。传感器第一电极阴极电压为0V，第二电极引 出极加载电压70V，第三电极收集极加载电压IOV0随着温度的升高，收集极收集到的离子 流增大，离子流与温度之间呈现单值上升关系。在20 110°C温度范围内，获得了 19组实 验标定数据。气体温度传感器离子流值作为输入样本，气体温度标定值作为期望输出样本 数据。采用分段线性插值对19组实验标定样本数据插值，在20 110°C温度范围内以1°C 为间距进行等间距插值，并在温度注意值(即气体温度临界值)附近进行密集插值，共获得 119组插值数据，并与19组实验标定数据组成数据库；选用119组插值数据与1组实验标 定数据共120组数据作为训练样本，剩余的不同于训练样本的18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，获得空气中温度测量模型。该温度测量模型的线性 度为0. 33%,18组检验样本的检验结果引用误差最大值为0. 36%，达到了 的温度测量 准确度。
实施例2本实施例传感器基本结构同实施例1，所不同的是碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器的三个电极中相邻两个电极的极间距均为 170 μ m，第一电极1的透气孔为2个、第二电极2的引出孔为1个，第三电极3的盲孔为1 个。采用上述极间距固定的碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器，实验获得了氮气中 的单值温度特性(图5所示)，传感器输出的离子流值输入数据融合建立的温度测量模型， 获得了准确度小于的氮气中的温度测量值。图5所示的碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器检测氮气环境温度的实施例中， 实验环境条件为相对湿度26. 2% RH、大气压力94. OKPa0气体温度传感器三个电极相邻电 极间的极间距均为170 μ m，传感器的第一电极1与第二电极2极板正对面积为17mm2，第二 电极2与第三电极3极板正对面积为190mm2。传感器第一电极1阴极电压为0V，第二电极 2引出极加载电压70V，第三电极3收集极加载电压IOV0随着温度的升高，收集极收集到的 离子流增大，离子流与温度之间呈现单值上升关系。在19. 5 110. 1°C温度范围内，获得了 22组实验标定数据。采用分段线性插值对22组实验标定样本数据插值，在19. 5 110. 1°C 温度范围内以1°C为间距进行等间距插值，并在温度注意值(即气体温度临界值)附近进行 密集插值，共获得137组插值数据，并与22组实验标定数据组成数据库；选用137组插值数 据与2组实验标定数据共139组数据作为训练样本，剩余的不同于训练样本的20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，获得氮气中温度测量模型。该温度 测量模型的线性度为0. 28%,20组检验样本的检验结果引用误差最大值为0. 33%，达到了
的温度测量准确度。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温度传感 器的三个电极中相邻两个电极间的极间距分别为250μπι、30μπι，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。本实施例的温度测量方法与实施例1基本相同，所不同的是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IV。实施例4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温度传感 器的三个电极中相邻两个电极间的极间距分别为250 μ m、30 μ m，第一电极1与第二电极2 极板正对面积为100mm2，第二电极2与第三电极3极板正对面积为120mm2。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。本实施例的温度测量方法与实施例1基本相同，所不同的是
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温度传感器、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温度、线性度好、准 确度高的气体温度测量方法。传感器直接测量气体温度并输出PA级以上微弱离子流；pA级 电流测量系统可检测气体温度传感器输出的PA级离子流；分段插值与数据融合方法，可获 得准确度高的气体温度测量值。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。
权利要求
1.碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器，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。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器，其特征在于所述三 个电极中相邻两个电极间的极间距为30 250 μ m ；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。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器，其特征在于所述第 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。
4.基于碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器的气体温度测量方法，其特征在于，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 250μ m的碳纳米管薄膜电离 式气体温度传感器；(2)将碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器放置在待测气体温度环境中；(3)对碳纳米管薄膜电离式气体温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)在待测气体温度测量范围内，对应不同的温度标定值，测量传感器输出的气体放电 离子流值；(5)将步骤中测得的传感器输出离子流值与相应的温度标定值，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温度测量数据库；(6)采用数据融合技术，构建数据融合仪，建立气体温度传感器的温度测量模型，分别 以气体温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温度准确测量模型；(7)将碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器实测时输出的离子流值输入步骤(6)获得 的气体温度测量模型，该模型输出气体温度的准确测量值。
5.根据权利要求4所述的基于碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器的气体温度测量 方法，其特征在于所述碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器中，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。
6.根据权利要求4所述的基于碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器的气体温度测量 方法，其特征在于所述建立气体温度测量数据库，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，将气体温度标定值及其插值数据 作为期望输出样本。
全文摘要
本发明公开了一种碳纳米管薄膜电离式气体温度传感器及其温度测量方法，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)放置气体温度传感器；2)在电极上施加电压；3)测量传感器输出离子流值；4)测得值与气体温度标定值组成样本，并与插值样本构建气体温度测量数据库；5)构建数据融合仪，建立气体温度准确测量模型；6)传感器实测值输入测量模型，获得气体温度准确测量值。该传感器工作电压低，测量气体温度灵敏度高，线性度好，准确度高，可用于易燃、易爆、有毒气体温度的测量。
文档编号G01K7/40GK102072784SQ20111003986
公开日2011年5月25日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者刘君华, 唐建文, 姜为华, 宋晓慧, 张勇, 张建业, 张晶园, 方静, 李昕, 牛国平, 王影花, 王晓冰, 王进 申请人:西安交通大学
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