激光熔覆制备SnO2微气敏传感器的研究

论文摘要

随着气敏传感器件向微型化、集成化和高性能化方向发展,对其制备技术提出了更高的要求。目前,微气敏传感器的制备主要利用光刻、溅射、掺杂等薄膜工艺来完成,工艺复杂、条件苛刻、成本昂贵,因而研发新的工艺制备微气敏传感器具有重大的现实意义。本文利用本实验室自主开发的激光微熔覆设备,提出基于激光微熔覆技术的制备SnO2微气敏传感器的MEMS新方法。SnO2气敏浆料采用乙醇分散-浓缩法制备,该浆料108小时后沉降高度仅为0.5cm,稳定性良好。在匀胶机转速6000r/min的旋涂速度、30s的旋涂时间、Nd:YAG半导体泵浦激光器1mm/s的激光扫描速度和离焦量为零的膜层预置和激光熔覆条件下,在96%的Al2O3基板上制得气敏膜,从SEM照片来看,激光功率为6W制得的气敏膜SnO2颗粒呈球状,比表面积大,粒径在1μm左右,且分布均匀。在96%的Al2O3基板另一面制备微加热器。微加热器的制备方法采用微笔直写技术,加热电源2.5V,电流1.4A,功率3.5W。热响应时间小于20秒,中心点温度335℃,具有良好的热响应速度和温度分布特性。制备了串并联气敏传感器阵列,研究发现气敏膜的宽度、长度越小,对CO和CH4响应-恢复时间越短,灵敏度越高。在此基础上制备了200μm×500μm的SnO2微气敏传感器。测试该微型传感器对CO、CH4和乙醇蒸汽三种气体的灵敏度分别为4.5、7、9.5,最佳工作温度分别是300℃、300℃、260℃。响应时间分别为15秒、10秒、10秒,恢复时间均为20秒。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 气敏传感器传感机理
• 1.2 微气敏传感器的结构、特点及性能指标
• 1.3 微气敏传感器的研究现状
• 1.3.1 传感器微结构
• 1.3.2 气敏材料制备技术
• 1.3.3 气体测试系统
• 1.4 激光微熔覆技术
• 1.5 本论文的研究内容及技术路线
• 2 微气敏传感器的制备'>2 SNO₂微气敏传感器的制备
• 2.1 实验设备及材料
• 2 厚膜气敏浆料的制备'>2.2 SNO₂厚膜气敏浆料的制备
• 2.2.1 浆料制备和掺杂
• 2 厚膜微气敏传感器的制备'>2.3 SNO₂厚膜微气敏传感器的制备
• 2.3.1 背面加热单元的制备
• 2.3.2 金电极膜的制备
• 2.3.3 气敏膜的制备
• 2.4 结果分析与讨论
• 2.4.1 浆料电学特性以及热重-差热分析
• 2.4.2 加热器性能测试
• 3 气敏膜二维尺度对气敏特性的影响
• 3.1 气敏膜二维尺度对气敏特性影响
• 3.1.1 串联气敏膜阵列特性测试
• 3.1.2 并联气敏膜阵列特性测试
• 3.2 气敏膜二维导电机理
• 3.2.1 气敏膜导电基本机理
• 3.2.2 激光直写气敏膜微观形貌
• 3.3 结果分析与讨论
• 2 微气敏传感器的传感特性研究'>4 不同气体环境下SNO₂微气敏传感器的传感特性研究
• 4.1 测试系统及方法
• 4.1.1 整个测试系统组建
• 4.1.2 待测气体的体积换算
• 4.1.3 测试条件
• 2 传感器的传感特性'>4.2 乙醇蒸汽环境下SNO₂传感器的传感特性
• 4.2.1 加热功率对灵敏度的影响
• 4.2.3 响应恢复特性
• 4气体环境下SNO₂ 传感器的传感特性'>4.3 CH₄气体环境下SNO₂传感器的传感特性
• 4.3.1 加热功率对灵敏度的影响
• 4.3.2 气体浓度与灵敏度的关系
• 4.3.3 响应恢复特性
• 2 传感器的传感特性'>4.4 CO 气体环境下SNO₂传感器的传感特性
• 4.4.1 加热功率对灵敏度的影响
• 4.4.2 气体浓度与灵敏度的关系
• 4.4.3 响应恢复特性
• 4.5 结果分析与讨论
• 5 主要结论及建议
• 5.1 主要结论
• 5.2 今后工作的建议
• 致谢
• 参考文献