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基于“微井”结构的气体传感器的制备

作　者: 朱涛
导　师: 谢光忠
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 微井气体传感器阵列高分子/无机纳米复合敏感膜甲苯甲醇
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

气体传感器阵列不仅能弥补单一气体传感器选择性差的缺点，还可以充分利用其交叉敏感性，并结合一定的模式识别技术，实现传感器的高精度测量。本论文主要对气体传感器阵列结构和气敏薄膜进行了研究。本论文首先从基于“微井”结构的气体传感器阵列的结构设计与制备出发，对该传感器阵列器件的相关参数进行了合理设计，采用MEMS工艺制备出了该传感器阵列的基础传感功能结构，获得了较好的17mm×11mm大小的2×2的传感器阵列基础芯片。器件以（100）硅为基底，氮化硅为绝缘层，金属Al为电极材料，电极采用叉指结构。在器件的设计与工艺实现方面，重点研究了KOH湿法刻蚀制备“微井”的工艺，得到了其最佳的工艺条件：30wt%的KOH溶液、温度为80℃、冷却回流装置、磁力搅拌。此条件下刻蚀速率可达0.96μm/min，刻蚀后材料表面平整，横向腐蚀误差较小，最大绝对误差22.8μm，最大相对误差是3.8%。气敏材料是气体传感器的核心，其正在由单一材料向复合材料发展。高分子/无机纳米复合材料综合了有机材料和无机纳米材料的各自优点，在气敏方面具有许多优异的特性。本论文运用气喷工艺在“微井”传感器阵列基础结构上制备了PEO（聚环氧乙烷）/CNTs（碳纳米管）和PVP（聚乙烯吡咯烷酮）/CNTs（碳纳米管）复合敏感膜，重点研究了复合膜对甲苯和甲醇的灵敏度与重复性。实验结果表明：PVP/CNTs复合敏感膜对甲苯和甲醇的灵敏度都大于PEO/CNTs复合敏感膜，PVP/CNTs和PEO/CNTs复合敏感膜对甲苯的灵敏度远大于甲醇，且PVP/CNTs和PEO/CNTs复合敏感膜对甲醇的响应和恢复时间低于对甲苯的响应和恢复时间。在重复性方面，无论是PVP/CNTs复合敏感膜，还是PEO/CNTs复合敏感膜，都存在基线漂移的现象。通过SEM（扫描电子显微镜）对复合膜进行表征与分析，由于碳纳米管的团聚性、喷涂成膜工艺本身的一些缺陷等原因，造成了敏感膜成分的差异、敏感膜的厚度也不完全相同，所以传感器阵列的响应时间与恢复时间较长，传感器阵列的重复性也有待提高。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 引言  10-11
  1.2 MEMS 气敏传感器的研究进展及现状  11-15
    1.2.1 MEMS 气敏传感器的研究进展  11-14
    1.2.2 MEMS 气敏传感器的研究现状  14-15
  1.3 气体传感器及其阵列的研究进展  15-17
    1.3.1 气体传感器概述  15
    1.3.2 气体传感器阵列的研究进展  15-17
  1.4 本论文的研究内容及意义  17-19
第二章微气体传感器制备工艺及敏感材料研究  19-32
  2.1 MEMS 技术  19-25
    2.1.1 MEMS 概述  19
    2.1.2 MEMS 设计  19-20
    2.1.3 MEMS 材料  20
    2.1.4 MEMS 器件加工工艺  20-25
  2.2 高分子/无机纳米复合气敏材料  25-31
    2.2.1 高分子/碳黑复合气敏材料  27-28
    2.2.2 高分子/碳纳米管复合气敏材料  28-30
    2.2.3 高分子/其它纳米粒子复合气敏材料  30-31
  2.3 本章小结  31-32
第三章 “微井”结构气体传感器阵列基础结构的制备  32-45
  3.1 引言  32
  3.2 基于“微井”结构的气体传感器阵列的设计及制备流程  32-34
    3.2.1 基于“微井”结构的气体传感器阵列的设计及材料的选择  32-33
    3.2.2 传感器阵列的制备流程  33-34
  3.3 基于“微井”结构的气体传感器阵列的制备  34-44
    3.3.1 掩膜板的设计  34-35
    3.3.2 硅片的清洗  35
    3.3.3 氮化硅掩膜层的制备  35-36
    3.3.4 “微井”的形成  36-41
    3.3.5 叉指电极的制备  41-42
    3.3.6 聚酰亚胺隔离层的制备  42-43
    3.3.7 划片与封装  43-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章基于“微井”结构的气体传感器阵列的气敏性研究  45-61
  4.1 引言  45-46
  4.2 基于 PEO/CNTs 和 PVP/CNTs 复合膜传感器阵列的制备  46-49
    4.2.1 实验原料及仪器  46-47
    4.2.2 气喷工艺概述  47-48
    4.2.3 PEO/CNTs 和 PVP/CNTs 复合材料的制备  48-49
    4.2.4 PEO/CNTs 和 PVP/CNTs 复合薄膜的传感器阵列的制备  49
  4.3 传感器阵列对甲苯和甲醇的敏感性测试与分析  49-59
    4.3.1 传感器阵列的测试系统  49-50
    4.3.2 传感器阵列对甲苯的气敏性测试  50-53
    4.3.3 传感器阵列对甲醇的气敏性测试  53-56
    4.3.4 PVP/CNTs 和 PEO/CNTs 复合敏感膜对甲苯、甲醇反应的比较  56-58
    4.3.5 PEO/CNTs 和 PVP/CNTs 复合薄膜的表征与分析  58-59
  4.4 PEO/CNTs 和 PVP/CNTs 薄膜的气敏机理  59
  4.5 本章小结  59-61
第五章结论和展望  61-63
  5.1 结论  61
  5.2 展望  61-63
致谢  63-64
参考文献  64-71
攻读硕士学位期间的研究成果  71-72

基于“微井”结构的气体传感器的制备

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