碳纳米管三电极气体传感器的极间距优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气体传感领域，具体涉及一种碳纳米管三电极气体传感器的极间距优 化方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着碳纳米技术的不断发展，以碳纳米管为敏感材料构成的气敏、温敏和 湿敏传感器不断涌现。CN102081073A公开了一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，采用 由绝缘支柱相互隔离的三个电极（第一电极内表面分布碳纳米管薄膜的基底）构成了检测 气体、温度和湿度的传感器；CN102095791B提出了由CN102081073A公开的碳纳米管薄膜三 电极传感器组成传感器阵列实现多组分混合气体浓度检测的方法。
[0003] 由于碳纳米管传感器具有工作电压低、整体尺寸小等独特优势，使得其在生物、化 学、机械、航空等诸多领域具有广阔的应用前景。但是，目前的碳纳米管三电极传感器均在 特定的几个极间距下工作，对于不同的检测气体尚没有针对性结构支撑，难以得到更高的 检测灵敏度；此外，对于由多个传感器构成的传感器阵列对混合气体进行检测，多个传感器 各采用哪种极间距进行组合能获得最佳的检测效果还有待明确。因此，亟需要有一种方法 可以对碳纳米管三电极传感器的极间距进行优化，以提高检测灵敏度，加快传感器应用的 推广。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有碳纳米管三电极传感器存在的上述问题和不足，提供一种可用 于单个碳纳米管三电极传感器及多个碳纳米管三电极传感器组合形成传感器阵列时各组 成传感器的极间距优化方法，可有效获得针对不同检测气体所对应单个传感器的最佳极间 距，和针对混合气体所对应传感器阵列中各组成传感器的最佳极间距，从而得到更高的检 测灵敏度。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0006] 碳纳米管三电极气体传感器的极间距优化方法，对碳纳米管三电极气体传感器的 第一电极与第二电极、第二电极与第三电极的极间距进行优化，所述碳纳米管三电极气体 传感器的第一电极内表面分布碳纳米管薄膜基底，第二电极为设有引出孔的引出极极板， 第三电极为收集极，三个电极由绝缘支柱相互隔离，三个电极中相邻两电极的极间距范围 为50ym?250ym，其特征在于采用以下优化步骤：
[0007] 1)设计极间距
[0008] 由n个碳纳米管三电极气体传感器构成的传感器阵列中，第i个传感器的第一电 极与第二电极的极间距为dn，第二电极与第三电极的极间距为di2，其中，i= 1，2,……， n，当n为1时，则指单个碳纳米管三电极气体传感器，每一个传感器的dn和di2有等间距和 不等间距两种情况：
[0009] 等间距：dn与di2相等，dn或di2从50ym开始以步长S递增，直到dn或di2大于 等于250ym，S为0ym-200ym之间的任意整数；
[0010] 不等间距：dn与di2不相等，dn从50ym开始以步长Si递增，直到dn大于等于 250ym，di2从50ym开始以步长S2递增，直到di2大于等于250ym，S丨和S2均为0ym-200ym之间的任意整数，当dn取前述数值中的一个值时，di2取与dn不同的值；
[0011] 2)构建由不同极间距传感器组成的传感器阵列
[0012] 针对单组分被测气体或由R种组分构成的混合气体，选定传感器个数n，n多R，采 用步骤1)中设计的极间距，分别构建m组n个不同等间距和不等间距的碳纳米管三电极气 体传感器，形成m组不同极间距的碳纳米管三电极气体传感器阵列，m组传感器阵列中所有 传感器的dn和di2是步骤1)中设计极间距所有可能的穷举或依据经验的选择；
[0013] 3)用已构建传感器阵列对已知浓度气体进行浓度检测
[0014] 采用标准气体制备多种不同浓度的单组分气体或多组分混合气体样本，采用由步 骤2)构建的不同极间距的m组碳纳米管三电极气体传感器阵列分组进行检测，获得各被测 气体样本的气体放电离子流值；
[0015] 4)建立传感器阵列的极间距及其对应气体检测结果数据库
[0016] 用所有m组碳纳米管三电极气体传感器阵列中各组成传感器的dn和di2、检测气 体样本获得的气体放电离子流值以及被测气体的浓度建立极间距及其对应气体检测结果 数据库；
[0017] 5)建立被测气体浓度定量分析模型
[0018] 采用支持向量机法，以步骤4)所建立数据库中被测气体放电离子流值为输入，以 其对应气体浓度为输出，建立被测气体浓度定量分析模型；
[0019] 6)优化传感器阵列中各组成传感器的极间距
[0020] 采用由步骤5)建立的被测气体浓度定量分析模型对所有被测气体样本的气体浓 度进行分析，获得被测气体的检测浓度；将被测气体的检测浓度与其对应的实际浓度求差 值，再除以被测气体的实际浓度，获得检测该气体的相对误差；采用粒子群优化算法，以被 测气体检测的相对误差最小为目标，对由步骤2)构建的m组碳纳米管三电极气体传感器阵 列中各组成传感器的dn和di2进行优化选择，最终获得检测该气体的碳纳米管三电极气体 传感器阵列中各传感器的最佳极间距。
[0021] 碳纳米管三电极气体传感器可替换为碳纳米管三电极温度传感器或碳纳米管三 电极湿度传感器，用于检测温度或湿度。
[0022] 本发明具有以下有益效果：
[0023] 1)可扩展性强：该方法可对检测单组分气体和多组分气体的碳纳米管三电极气 体传感器阵列中各传感器的极间距进行优化，同时也可扩展到由其构成的温度和湿度传感 器。
[0024] 2)组合性好：针对某种特定的气体，可选择特定浓度的气体样本进行优化，也可 选择多种不同浓度的气体样本进行优化，气体样本简单，可对多种气体进行分析，组合性 好。
[0025] 3)灵活性强：建立被测气体浓度定量分析模型时可采用除支持向量机外其它多 种定量分析方法，通过对其参数优化获得该方法的最佳定量分析模型，具有很强的灵活性。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明优化方法流程图；
[0027] 图2为本发明实施例中检测NO和502混合气体的相对误差。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
[0029] 碳纳米管三电极气体传感器的极间距优化方法，对碳纳米管三电极气体传感器阵 列中各组成传感器的第一电极与第二电极、第二电极与第三电极的极间距进行优化，所述 碳纳米管三电极气体传感器的第一电极内表面分布碳纳米管薄膜基底，第二电极为设有引 出孔的引出极极板，第三电极为收集极，三个电极由绝缘支柱相互隔离，三个电极中相邻两 电极的极间距范围为50ym?250ym。其采用以下优化步骤：
[0030] 1)设计极间距
[0031] 由n个碳纳米管三电极气体传感器构成的传感器阵列中，第i个传感器的第一电 极与第二电极的极间距为dn，第二电极与第三电极的极间距为di2，其中，i= 1，2,……， n，当n为1时，则指单个碳纳米管三电极气体传感器，每一个传感器的dn和di2有等间距和 不等间距两种情况：
[0032] 等间距：屯与di2相等，dn或di2从50ym开始以步长S递增，直到dn或di2大于 等于250ym，S为0ym-200ym之间的任意整数；
[0033] 不等间距：屯与di2不相等，dn从50ym开始以步长Si递增，直到dn大于等于 250ym，di2从50ym开始以步长S2递增，直到di2大于等于250ym，S丨和S2均为0ym-200ym 之间的任意整数，当dn取前述数值中的一个值时，di2取与dn不同的值；
[0034] 2)构建由不同极间距传感器组成的传感器阵列
[0035] 针对单组分被测气体或由R种组分构成的混合气体，选定传感器个数n，n多R，采 用步骤1)中设计的极间距，分别构建m组n个不同等间距和不等间距的碳纳米管三电极气 体传感器，形成m组不同极间距的碳纳米管三电极气体传感器阵列，m组传感器阵列中所有 传感器的dn和di2是步骤1)中设计极间距所有可能的穷举或依据经验的选择；
[0036] 3)用已构建传感器阵列对已知浓度气体进行浓度检测
[0037] 采用标准气体制备多种不同浓度的单组分气体或多组分混合气体样本，采用由步