基于参数优化设计了一种电场分布合理的叉指微电极结构，利用光刻技术在ITO表面成功制备了最小指间距约为4μm的叉指微电极，为微电极制备提供了一种可靠、低成本的制备方法。将这种微电极用于碳纳米管气敏传感器中，并利用氨气对其气敏特性进行测试，结果表明，纳米材料修饰的微电极气敏传感性能得到了明显提高。


气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，可以对二氧化氮、氨气、氧气、氢气等气体分子进行浓度检测。传统的金属氧化物气体传感器存在对工作环境要求高、功率消耗大、尺寸较大等一系列缺陷。由于纳米材料具有特殊的物理化学特性，对一些气体具有很强的吸附能力，因此可以用于制备新型的气敏传感器，能够克服传统气敏传感器的很多缺陷。碳纳米管气敏传感器就是利用这一特性，吸附气体使碳纳米管薄膜电阻率发生改变，从而使宏观电阻变化，从而检测气体。


碳纳米管气敏传感器的核心部件除了碳纳米管这种特殊纳米材料外，还需要敏感材料的载体——微电极。通过对微电极结构的研究发现，叉指型微电极结构的每一组平行的微带电极可以交替作为阴极和阳极，产生“发生－收集”实验效果，发生正反馈效应，因为发生和收集电极的响应电流都增大，使检测灵敏度得到很大提高。本文设计了一种电场分布合理的叉指微电极结构（IDEs），成功制备了指间距为4μm的叉指微电极并将这种微电极用于碳纳米管气敏传感器中，实验结果表明气敏传感性能得到明显提高。


1叉指微电极的建模


微电极的结构模型采用常用的叉指型电极结构，对该极结构理论分析和数值模拟表明，表明当微电极的长度远远大于指间距和宽度时，尖端效应可以忽略不计，而指间距成为影响电场强度分布的最大因素。因此，要通过仿真软件对叉指微电极的电场强度分布情况进行模拟仿真，通过分析不同结构参数下电场强度的分布情况来获得较为理想的电极结构。叉指微电极的理想模型如图1所示，其主要设计参数有指间距（g）、长度（l）、宽度（w）以及电极数目（N）。本文通过模拟分析不同指间距尺寸的叉指微电极的电场强度来获得最合理的设计参数。

图1叉指微电极模型示意图


为了更容易地解决问题，本文将叉指微电极模型简化，设定N＝9，w＝4μm，l＝1000μm，U＝1 V（加在叉指微电极两端的电压），研究在指间距分别为100、50、10、4μm下叉指微电极上的电场强度分布情况。根据有限元仿真步骤，先对叉指微电极建模，再设定求解域以及边界条件，求解结果见表1。

图2指间距为100μm的叉指微电极的电场强度分布

图3指间距为50μm的叉指微电极的电场强度分布

图4指间距为10μm的叉指微电极的电场强度分布

图5指间距为4μm的叉指微电极的电场强度分布


图2～5分别对不同指间距的叉指微电极的电场强度分布仿真，根据仿真结果可以看到，随着指间距的减小，叉指微电极中电场强度的分布越来越均匀，而且场强值也越来越大（见表1），到指间距为4μm时尖端效应基本不存在，说明指间距的减小对叉指微电极之间的电场分布有重要影响。相关研究也表明，叉指微电极指间距的减少的确可以促进电极间稳态过程的建立，加快反应动力学过程，提高氧化还原效率，这也从另一方面解释了上述仿真结果。该结果为碳纳米管气敏传感器微叉指电极的设备提供了参考。

表1不同指间距下电场强度分布