低功耗多孔硅气敏传感器性能研究

论文摘要

随着气体作原料、燃料的情况增多,工业和日常生活向空气中排放的污染气体越来越多,种类也越来越多。这些污染气体（如氢气、氨气、氮氧化物、液化石油气等）大多是易燃易爆气体和有毒气体,危害性很大。人们已经广泛使用气敏元件对环境污染气体进行监控,以确保生命和生产安全。多孔硅是一种在硅基底上通过腐蚀形成的具有疏松结构的一种材料,在光学电学上的应用非常广泛,如用作牺牲层,绝热层光吸收材料和气湿敏材料等。因为其原料储备大,制作工艺简单,具有大的比表面积,所以是一种很有潜力的气敏材料。多孔硅材料作为气敏薄膜的工作,利用表面吸附空气中的阳离子增加表面活性,在检测氧化性和还原性气体时,分别进行反应,引起了多孔硅电阻值变化。通过双槽电化学腐蚀法生长多孔硅气敏薄膜,在其表面通过磁控溅射法沉积金属薄膜电极,形成基本的器件结构。通过不同电流密度和电极的选取,得到不同孔隙结构参数的多孔硅样品,对样品进行了孔隙率、SEM、I-V特性等各种测试,分析了多孔硅的材料参数、微观形貌和电学特性等。用静态分析法对一定浓度的NH3、C2H5OH和NO2进行了气敏特性测试。研究结果表明,Pt电极相对Cu电极有良好的电学接触。孔隙率71.14%,腐蚀深度56.7μm的多孔硅薄膜对NH3（浓度10ppm）灵敏度最好,达到3.09;孔隙率76.8%,腐蚀深度72.5μm的多孔硅薄膜对C2H5OH（浓度100ppm）灵敏度最好,为2.5。在0.8ppm的NO2中,孔隙率80.74%、腐蚀深度75.5μm的薄膜灵敏度达到3.45,且对NO2响应恢复时间较短,器件功耗较低,是一种理想的NO2气敏传感器件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 气敏传感器与多孔硅材料
• 1.1 传感器的定义
• 1.2 气敏传感器
• 1.2.1 气敏传感器发展概述
• 1.2.2 气敏传感器的主要特性参数
• 1.2.3 气敏传感器的分类
• 1.2.4 气敏传感器检测的气体种类
• 1.3 多孔硅技术
• 1.3.1 多孔硅的分类
• 1.3.2 多孔硅材料的特点及应用
• 1.3.3 多孔硅气敏传感器研究概况
• 1.4 项目背景
• 第二章 理论知识
• 2.1 多孔硅的制备方法
• 2.1.1 原电池法
• 2.1.2 阳极腐蚀法
• 2.1.3 双槽电化学腐蚀法
• 2.2 多孔硅形成机理
• 2.2.1 扩散限制（DLA）模型
• 2.2.2 Beale模型
• 2.2.3 量子限制模型
• 2.3 多孔硅气敏传感器工作原理
• 2.3.1 表面吸附
• 2.3.2 检测气体表面吸附反应
• 2.4 金属与半导体的欧姆接触
• 2.4.1 金属与半导体的功函数
• 2.4.2 肖特基接触
• 2.4.3 欧姆接触
• 2.5 磁控溅射淀积金属薄膜工作机理
• 2.6 场致发射扫描电子显微镜（SEM）技术
• 第三章 多孔硅气敏元件的制备
• 3.1 多孔硅敏感层的制备
• 3.1.1 硅片的清洗
• 3.1.2 腐蚀多孔硅敏感层
• 3.2 溅射形成薄膜电极
• 3.3 氧化处理
• 第四章 多孔硅参数测量与分析
• 4.1 样品条件设定
• 4.2 多孔硅孔隙率测量
• 4.2.1 孔隙率测量实验
• 4.2.2 多孔硅孔隙率参数分析
• 4.3 多孔硅微观形貌分析
• 4.3.1 多孔硅表面形貌分析
• 4.3.2 多孔硅截面形貌分析
• 4.4 多孔硅腐蚀厚度测量
• 4.5 多孔硅I-V特性曲线分析
• 第五章 多孔硅气敏传感器性能研究
• 5.1 气敏特性测量方法
• 5.1.1 小体积气体环境静态配气测量方法
• 5.1.2 大体积气体环境静态配气多通道测试系统
• 5.1.3 气体浓度测量范围选择
• 5.2 多孔硅气敏性能测试与分析
• 5.2.1 多孔硅对氨气的气敏性能分析
• 5.2.2 多孔硅对乙醇的气敏性能测试与分析
• 5.2.3 多孔硅对二氧化氮的气敏性能测试与分析
• 5.3 多孔硅气敏元件的选择性讨论
• 5.4 多孔硅孔隙率和腐蚀深度对灵敏度影响
• 5.4.1 孔隙率对灵敏度影响
• 5.4.2 腐蚀深度对灵敏度影响
• 5.5 响应时间与恢复时间的讨论
• 5.5.1 可逆反应与反应平衡
• 5.5.2 多孔硅结构参数对反应恢复时间影响
• 5.6 多孔硅气敏元件电极的选取
• 5.7 多孔硅气敏元件的工作损耗
• 第六章 结论与展望
• 6.1 总结与讨论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢