碳納米管三電極氣體傳感器的極間距優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體傳感領(lǐng)域，具體涉及一種碳納米管三電極氣體傳感器的極間距優(yōu) 化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著碳納米技術(shù)的不斷發(fā)展，以碳納米管為敏感材料構(gòu)成的氣敏、溫敏和 濕敏傳感器不斷涌現(xiàn)。CN102081073A公開了一種微納米碳納米管薄膜三電極傳感器，采用 由絕緣支柱相互隔離的三個電極（第一電極內(nèi)表面分布碳納米管薄膜的基底）構(gòu)成了檢測 氣體、溫度和濕度的傳感器；CN102095791B提出了由CN102081073A公開的碳納米管薄膜三 電極傳感器組成傳感器陣列實現(xiàn)多組分混合氣體濃度檢測的方法。
[0003] 由于碳納米管傳感器具有工作電壓低、整體尺寸小等獨(dú)特優(yōu)勢，使得其在生物、化 學(xué)、機(jī)械、航空等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，目前的碳納米管三電極傳感器均在 特定的幾個極間距下工作，對于不同的檢測氣體尚沒有針對性結(jié)構(gòu)支撐，難以得到更高的 檢測靈敏度；此外，對于由多個傳感器構(gòu)成的傳感器陣列對混合氣體進(jìn)行檢測，多個傳感器 各采用哪種極間距進(jìn)行組合能獲得最佳的檢測效果還有待明確。因此，亟需要有一種方法 可以對碳納米管三電極傳感器的極間距進(jìn)行優(yōu)化，以提高檢測靈敏度，加快傳感器應(yīng)用的 推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有碳納米管三電極傳感器存在的上述問題和不足，提供一種可用 于單個碳納米管三電極傳感器及多個碳納米管三電極傳感器組合形成傳感器陣列時各組 成傳感器的極間距優(yōu)化方法，可有效獲得針對不同檢測氣體所對應(yīng)單個傳感器的最佳極間 距，和針對混合氣體所對應(yīng)傳感器陣列中各組成傳感器的最佳極間距，從而得到更高的檢 測靈敏度。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 碳納米管三電極氣體傳感器的極間距優(yōu)化方法，對碳納米管三電極氣體傳感器的 第一電極與第二電極、第二電極與第三電極的極間距進(jìn)行優(yōu)化，所述碳納米管三電極氣體 傳感器的第一電極內(nèi)表面分布碳納米管薄膜基底，第二電極為設(shè)有引出孔的引出極極板， 第三電極為收集極，三個電極由絕緣支柱相互隔離，三個電極中相鄰兩電極的極間距范圍 為50ym?250ym，其特征在于采用以下優(yōu)化步驟：
[0007] 1)設(shè)計極間距
[0008] 由n個碳納米管三電極氣體傳感器構(gòu)成的傳感器陣列中，第i個傳感器的第一電 極與第二電極的極間距為dn，第二電極與第三電極的極間距為di2，其中，i= 1，2,……， n，當(dāng)n為1時，則指單個碳納米管三電極氣體傳感器，每一個傳感器的dn和di2有等間距和 不等間距兩種情況：
[0009] 等間距：dn與di2相等，dn或di2從50ym開始以步長S遞增，直到dn或di2大于 等于250ym，S為0ym-200ym之間的任意整數(shù)；
[0010] 不等間距：dn與di2不相等，dn從50ym開始以步長Si遞增，直到dn大于等于 250ym，di2從50ym開始以步長S2遞增，直到di2大于等于250ym，S丨和S2均為0ym-200ym之間的任意整數(shù)，當(dāng)dn取前述數(shù)值中的一個值時，di2取與dn不同的值；
[0011] 2)構(gòu)建由不同極間距傳感器組成的傳感器陣列
[0012] 針對單組分被測氣體或由R種組分構(gòu)成的混合氣體，選定傳感器個數(shù)n，n多R，采 用步驟1)中設(shè)計的極間距，分別構(gòu)建m組n個不同等間距和不等間距的碳納米管三電極氣 體傳感器，形成m組不同極間距的碳納米管三電極氣體傳感器陣列，m組傳感器陣列中所有 傳感器的dn和di2是步驟1)中設(shè)計極間距所有可能的窮舉或依據(jù)經(jīng)驗的選擇；
[0013] 3)用已構(gòu)建傳感器陣列對已知濃度氣體進(jìn)行濃度檢測
[0014] 采用標(biāo)準(zhǔn)氣體制備多種不同濃度的單組分氣體或多組分混合氣體樣本，采用由步 驟2)構(gòu)建的不同極間距的m組碳納米管三電極氣體傳感器陣列分組進(jìn)行檢測，獲得各被測 氣體樣本的氣體放電離子流值；
[0015] 4)建立傳感器陣列的極間距及其對應(yīng)氣體檢測結(jié)果數(shù)據(jù)庫
[0016] 用所有m組碳納米管三電極氣體傳感器陣列中各組成傳感器的dn和di2、檢測氣 體樣本獲得的氣體放電離子流值以及被測氣體的濃度建立極間距及其對應(yīng)氣體檢測結(jié)果 數(shù)據(jù)庫；
[0017] 5)建立被測氣體濃度定量分析模型
[0018] 采用支持向量機(jī)法，以步驟4)所建立數(shù)據(jù)庫中被測氣體放電離子流值為輸入，以 其對應(yīng)氣體濃度為輸出，建立被測氣體濃度定量分析模型；
[0019] 6)優(yōu)化傳感器陣列中各組成傳感器的極間距
[0020] 采用由步驟5)建立的被測氣體濃度定量分析模型對所有被測氣體樣本的氣體濃 度進(jìn)行分析，獲得被測氣體的檢測濃度；將被測氣體的檢測濃度與其對應(yīng)的實際濃度求差 值，再除以被測氣體的實際濃度，獲得檢測該氣體的相對誤差；采用粒子群優(yōu)化算法，以被 測氣體檢測的相對誤差最小為目標(biāo)，對由步驟2)構(gòu)建的m組碳納米管三電極氣體傳感器陣 列中各組成傳感器的dn和di2進(jìn)行優(yōu)化選擇，最終獲得檢測該氣體的碳納米管三電極氣體 傳感器陣列中各傳感器的最佳極間距。
[0021] 碳納米管三電極氣體傳感器可替換為碳納米管三電極溫度傳感器或碳納米管三 電極濕度傳感器，用于檢測溫度或濕度。
[0022] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0023] 1)可擴(kuò)展性強(qiáng)：該方法可對檢測單組分氣體和多組分氣體的碳納米管三電極氣 體傳感器陣列中各傳感器的極間距進(jìn)行優(yōu)化，同時也可擴(kuò)展到由其構(gòu)成的溫度和濕度傳感 器。
[0024] 2)組合性好：針對某種特定的氣體，可選擇特定濃度的氣體樣本進(jìn)行優(yōu)化，也可 選擇多種不同濃度的氣體樣本進(jìn)行優(yōu)化，氣體樣本簡單，可對多種氣體進(jìn)行分析，組合性 好。
[0025] 3)靈活性強(qiáng)：建立被測氣體濃度定量分析模型時可采用除支持向量機(jī)外其它多 種定量分析方法，通過對其參數(shù)優(yōu)化獲得該方法的最佳定量分析模型，具有很強(qiáng)的靈活性。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明優(yōu)化方法流程圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明實施例中檢測NO和502混合氣體的相對誤差。
【具體實施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖介紹本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案：
[0029] 碳納米管三電極氣體傳感器的極間距優(yōu)化方法，對碳納米管三電極氣體傳感器陣 列中各組成傳感器的第一電極與第二電極、第二電極與第三電極的極間距進(jìn)行優(yōu)化，所述 碳納米管三電極氣體傳感器的第一電極內(nèi)表面分布碳納米管薄膜基底，第二電極為設(shè)有引 出孔的引出極極板，第三電極為收集極，三個電極由絕緣支柱相互隔離，三個電極中相鄰兩 電極的極間距范圍為50ym?250ym。其采用以下優(yōu)化步驟：
[0030] 1)設(shè)計極間距
[0031] 由n個碳納米管三電極氣體傳感器構(gòu)成的傳感器陣列中，第i個傳感器的第一電 極與第二電極的極間距為dn，第二電極與第三電極的極間距為di2，其中，i= 1，2,……， n，當(dāng)n為1時，則指單個碳納米管三電極氣體傳感器，每一個傳感器的dn和di2有等間距和 不等間距兩種情況：
[0032] 等間距：屯與di2相等，dn或di2從50ym開始以步長S遞增，直到dn或di2大于 等于250ym，S為0ym-200ym之間的任意整數(shù)；
[0033] 不等間距：屯與di2不相等，dn從50ym開始以步長Si遞增，直到dn大于等于 250ym，di2從50ym開始以步長S2遞增，直到di2大于等于250ym，S丨和S2均為0ym-200ym 之間的任意整數(shù)，當(dāng)dn取前述數(shù)值中的一個值時，di2取與dn不同的值；
[0034] 2)構(gòu)建由不同極間距傳感器組成的傳感器陣列
[0035] 針對單組分被測氣體或由R種組分構(gòu)成的混合氣體，選定傳感器個數(shù)n，n多R，采 用步驟1)中設(shè)計的極間距，分別構(gòu)建m組n個不同等間距和不等間距的碳納米管三電極氣 體傳感器，形成m組不同極間距的碳納米管三電極氣體傳感器陣列，m組傳感器陣列中所有 傳感器的dn和di2是步驟1)中設(shè)計極間距所有可能的窮舉或依據(jù)經(jīng)驗的選擇；
[0036] 3)用已構(gòu)建傳感器陣列對已知濃度氣體進(jìn)行濃度檢測
[0037] 采用標(biāo)準(zhǔn)氣體制備多種不同濃度的單組分氣體或多組分混合氣體樣本，采用由步