基于流体模型的碳纳米管电离式传感器的结构优化方法

作     者：吴健 韩文 程珍珍 杨彬 孙利利 王迪 朱程鹏 张勇 耿明昕 景龑 Wu Jian;Han Wen;Cheng Zhen-Zhen;Yang Bin;Sun Li-Li;Wang Di;Zhu Cheng-Peng;Zhang Yong;Geng Ming-Xin;Jing Yan

作者机构：西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 国网陕西省电力公司电力科学研究院西安710199 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2021年第70卷第9期

页      面：245-256页

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(批准号:51577142,61422061807) 国家重点研发计划(批准号:2017YFB0404102,2017YFB1200902-09) 国家电网基金(批准号:520900180008)资助的课题 

主　　题：流体模型 碳纳米管电离式传感器 结构优化 高灵敏度 

摘      要：与常规电离式传感器相比,碳纳米管三电极电离式气体传感器具有体积小、工作电压低的优势,对智能电网、泛在物联网的发展具有重要作用,但存在输出电流低、灵敏度低的缺点,需要从结构上对其进行优化.本文基于汤生放电原理,采用COMSOL Multiphysics多物理场直接耦合分析软件,建立了传感器二维等离子体放电流体仿真模型.研究得到了8种不同结构的传感器,在氮气背景中的静电场分布及传感器收集极平均电流密度.通过对比不同结构参数下的电场强度及电流密度值,得到了最优传感器结构.结合仿真结果,制备了8种优化结构的传感器进行实验验证,最优传感器结构具有最高的收集电流密度,与仿真结果一致,证明了本文提出的结构优化方法的可行性.基于最优结构,制作了100和120μm极间距的传感器,获得了NO/SO_2两组分混合气体的敏感特性.与其他技术相比,最优传感器的灵敏度比现有技术高1—2个数量级,展示了三电极电离式碳纳米管传感器的应用潜力.