基于參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種電場分布合理的叉指微電極結(jié)構(gòu)，利用光刻技術(shù)在ITO表面成功制備了最小指間距約為4μm的叉指微電極，為微電極制備提供了一種可靠、低成本的制備方法。將這種微電極用于碳納米管氣敏傳感器中，并利用氨氣對其氣敏特性進(jìn)行測試，結(jié)果表明，納米材料修飾的微電極氣敏傳感性能得到了明顯提高。

氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器，可以對二氧化氮、氨氣、氧氣、氫氣等氣體分子進(jìn)行濃度檢測。傳統(tǒng)的金屬氧化物氣體傳感器存在對工作環(huán)境要求高、功率消耗大、尺寸較大等一系列缺陷。由于納米材料具有特殊的物理化學(xué)特性，對一些氣體具有很強(qiáng)的吸附能力，因此可以用于制備新型的氣敏傳感器，能夠克服傳統(tǒng)氣敏傳感器的很多缺陷。碳納米管氣敏傳感器就是利用這一特性，吸附氣體使碳納米管薄膜電阻率發(fā)生改變，從而使宏觀電阻變化，從而檢測氣體。

碳納米管氣敏傳感器的核心部件除了碳納米管這種特殊納米材料外，還需要敏感材料的載體——微電極。通過對微電極結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，叉指型微電極結(jié)構(gòu)的每一組平行的微帶電極可以交替作為陰極和陽極，產(chǎn)生“發(fā)生－收集”實(shí)驗(yàn)效果，發(fā)生正反饋效應(yīng)，因?yàn)榘l(fā)生和收集電極的響應(yīng)電流都增大，使檢測靈敏度得到很大提高。本文設(shè)計(jì)了一種電場分布合理的叉指微電極結(jié)構(gòu)（IDEs），成功制備了指間距為4μm的叉指微電極并將這種微電極用于碳納米管氣敏傳感器中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣敏傳感性能得到明顯提高。

1叉指微電極的建模

微電極的結(jié)構(gòu)模型采用常用的叉指型電極結(jié)構(gòu)，對該極結(jié)構(gòu)理論分析和數(shù)值模擬表明，表明當(dāng)微電極的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于指間距和寬度時(shí)，尖端效應(yīng)可以忽略不計(jì)，而指間距成為影響電場強(qiáng)度分布的最大因素。因此，要通過仿真軟件對叉指微電極的電場強(qiáng)度分布情況進(jìn)行模擬仿真，通過分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下電場強(qiáng)度的分布情況來獲得較為理想的電極結(jié)構(gòu)。叉指微電極的理想模型如圖1所示，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)有指間距（g）、長度（l）、寬度（w）以及電極數(shù)目（N）。本文通過模擬分析不同指間距尺寸的叉指微電極的電場強(qiáng)度來獲得最合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1叉指微電極模型示意圖

為了更容易地解決問題，本文將叉指微電極模型簡化，設(shè)定N＝9，w＝4μm，l＝1000μm，U＝1 V（加在叉指微電極兩端的電壓），研究在指間距分別為100、50、10、4μm下叉指微電極上的電場強(qiáng)度分布情況。根據(jù)有限元仿真步驟，先對叉指微電極建模，再設(shè)定求解域以及邊界條件，求解結(jié)果見表1。

圖2指間距為100μm的叉指微電極的電場強(qiáng)度分布

圖3指間距為50μm的叉指微電極的電場強(qiáng)度分布

圖4指間距為10μm的叉指微電極的電場強(qiáng)度分布

圖5指間距為4μm的叉指微電極的電場強(qiáng)度分布

圖2～5分別對不同指間距的叉指微電極的電場強(qiáng)度分布仿真，根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，隨著指間距的減小，叉指微電極中電場強(qiáng)度的分布越來越均勻，而且場強(qiáng)值也越來越大（見表1），到指間距為4μm時(shí)尖端效應(yīng)基本不存在，說明指間距的減小對叉指微電極之間的電場分布有重要影響。相關(guān)研究也表明，叉指微電極指間距的減少的確可以促進(jìn)電極間穩(wěn)態(tài)過程的建立，加快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，提高氧化還原效率，這也從另一方面解釋了上述仿真結(jié)果。該結(jié)果為碳納米管氣敏傳感器微叉指電極的設(shè)備提供了參考。

表1不同指間距下電場強(qiáng)度分布