新型MEMS气体传感器研究

论文摘要

目前,微电子机械技术由于得到集成电路工业的支持,其发展速度异常迅猛。微结构气体传感器已逐渐成为气体传感器领域的一种主要结构形式。用该技术制作的微结构气体传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、重复性、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等优点,并且对于气体传感器的集成化、智能化、功能化,以及提高其选择性和可靠性都有着重要的意义。本文提出了一种基于硅压阻效应的新型MEMS气体传感器,其结构主要是由制作在硅薄膜表面的惠斯通电桥和在硅薄膜表面积淀的一层聚合物气敏薄膜构成。聚合物气敏薄膜在吸收气体发生膨胀,由于聚合物气敏薄膜积淀在硅薄膜上表面,膨胀受到限制,将带动硅薄膜发生弯曲变形,使得制作在硅薄膜中的压敏电阻阻值改变,于是,由目标气体引起的聚合物气敏薄膜变形将通过压阻式惠斯通电桥转变成电压输出。本文应用弹性力学薄板原理对气体传感器理论模型作了研究,建立了该气体传感器中硅薄膜与聚合物气敏薄膜相互作用的理论模型,建立了半覆盖双层薄膜弯曲的微分方程,对微分方程中的弯曲刚度系数作了修正,提出了气体传感器的等效横向气体载荷q_g概念及其表达式,并由此导出了传感器的最终输出公式。同时,本文根据已建立的理论模型,并对气体传感器结构和工艺作了初步设计。理论分析表明该传感器的输出具有很好的线性,而且结构简单、无需加热,应用MEMS(Microelectromechanical System)工艺技术可实现与信号处理电路的集成等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 气体传感器概述
• 1.1.1 微结构气体传感的研究现状
• 1.1.2 微结构气体传感的发展趋势
• 1.2 主要研究内容
• 第2章 硅压阻式气体传感器的原理
• 2.1 硅薄膜的敏感机理半导体的压阻效应
• 2.1.1 压阻效应
• 2.1.2 压阻系数
• 2.2 聚合物气敏薄膜对气体分子的吸附与膨胀特性
• 2.2.1 固体表面的吸附作用
• 2.2.2 吸附与膨胀
• 2.3 硅压阻式微机械气体传感器的原理
• 2.3.1 硅压阻式微机械气体传感器的结构
• 2.3.2 硅压阻式微机械气体传感器的原理分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 硅压阻式微机械气体传感器的理论模型
• 3.1 传感器应力分析建模
• 3.1.1 弹性力学薄板理论及其基本假设
• 3.1.2 气体传感器的微分方程
• 3.1.3 微分方程中等效横向气体载荷q的确定
• 2.1.4 微分方程中薄板弯曲刚度系数的修正
• 3.2 硅薄膜表面应力的分布
• 3.3 传感器的输出
• 3.4 本章小结
• 第4章 硅压阻式微机械气体传感器的分析与设计
• 4.1 硅压阻式微机械气体传感器的特性分析
• 4.1.1 硅压阻式微机械气体传感器的输出特性
• 4.1.2 硅薄膜的厚度对气体传感器的影响
• 4.1.3 聚合物气敏薄膜的厚度对气体传感器的影响
• 4.1.4 气体传感器的输出与聚合物气敏薄膜和硅薄膜厚度之比的关系
• 4.1.5 聚合物薄膜的半径对气体传感器输出的影响
• 4.1.6 硅压阻式微机械气体传感器结构参数设置
• 4.2 工艺设计
• 4.2.1 硅薄膜的制造工艺
• 4.2.2 聚合物薄膜积淀工艺
• 4.2.3 压阻式气体传感器芯片的制造工艺设计
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文