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场助热电离式TiO2纳米管温度传感器机理研究及性能优化

场助热电离式TiO2纳米管温度传感器机理研究及性能优化

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作者：张妮西安科技大学

学位级别：硕士

传感器作为控制系统的“前沿哨所”,是捕捉信息的关键部件。而电离式传感器具有响应快、灵敏度高等特点,有望快速、准确地对传感器的基本检测参数温度进行检测。本文通过仿真计算,分析了微米间隙-纳米尖端场域下电离式温度传感器的内部... 详细信息

传感器作为控制系统的“前沿哨所”,是捕捉信息的关键部件。而电离式传感器具有响应快、灵敏度高等特点,有望快速、准确地对传感器的基本检测参数温度进行检测。本文通过仿真计算,分析了微米间隙-纳米尖端场域下电离式温度传感器的内部工作机理与温度敏感特性;并结合实验进行验证;而后,就此传感器存在输出信号较小的问题,从改变纳米电极的材料和形貌两方面入手,对其输出性能进行了优化。本文主要研究内容如下:(1)首先建立了常温常压下大气中N-O混合气体在微米间隙-纳米尖端场域的二维空间放电模型,探究了传感器内部工作机理;其次对不同温度下(293.15 K～373.15 K)传感器的放电情况进行了仿真研究,研究结果表明:随着温度的升高,传感器的放电电流密度呈指数趋势增长,其最大温度系数为3.43×10-2K-1。(2)通过阳极氧化法所制备出的TiO纳米管阵列为阴极材料进行传感器的组装,并分别在真空和空气中进行了不同温度下的放电实验。实验结果表明:在真空中,传感器的电子发射特性符合经典场助热电子发射理论;在空气中,传感器放电电流和环境温度之间存在单值对应关系,且其变化趋势与仿真结果一致,即随着温度的升高,放电电流呈指数趋势增长,其最大温度系数为3.89×10-2K-1,进一步验证了仿真模型的可靠性。(3)从不同角度出发去优化传感器的输出性能。其一,改变纳米电极的材料,即制备Mn掺杂纳米管,通过降低电子发射所需要的逸出功,来提高其发射性能。实验结果表明:掺杂后传感器输出电流增大,且最大温度系数提升至4.35×10-2 K-1;其二,改变纳米电极的形貌,即探究纳米电极的最佳管间距,仿真结果表明:纳米管间距与管长之间存在最优关系,使得其电场屏蔽效应与有效发射面积达到最佳耦合,致使空间放电强度达到最大,放电电流得以提高。本文采用仿真与实验相结合的方法,分别从微观与宏观角度对电离式温度传感器进行了内部机理研究与性能优化,对该类传感器的研制具有一定的指导意义。

关键词： TiO2纳米管电离式温度传感器内部机理掺杂纳米管最佳纳米管间距

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