可微加工Al2O3基板式新型SnO2气体传感器的研制

论文摘要

本论文课题属于气体传感器应用领域,课题源于国家863项目“环境检测微系统”,本课题是与中国电子科技集团第49研究所共同合作完成的。 本文阐述了两种SnO2气体传感器的制备过程,即厚膜旁热式和新型Al2O3基底的微结构阵列式气体传感器,同时对CO气体以及干扰气体进行了测试和分析。 目前已有的集成式CO气体传感器多半是采用半导体工艺制造的多晶硅电阻做加热器,实践中发现多晶硅长期工作在260℃-350℃下,性能不稳定,无法满足长期使用的要求,因此本文对采用低温度系数的NiCr合金材料以及Au两种材料制作加热器进行了研究,并利用微机械加工技术研制出一种集成化阵列式气体传感器来实现双气体同时测试,并且采用不同幅度、宽度和频率的脉冲序列对传感器实现合理的温度调制,具有低功耗、高灵敏度、多功能、高性能、防振动、耐腐蚀等优点。这种特殊的悬桥式陶瓷基无内引线封装结构己申报了国家发明专利。 本文继承了传统SnO2敏感材料的性能优点,并在进一步提高选择性方面做了新的尝试。在材料制备中,首先通过化学均匀沉淀法制备所需要的敏感材料SnO2粉末,然后采用不同的重金属或氧化物做添加剂分别制备成了五种不同掺杂的气敏材料,并采用旁热式结构对其气敏性能进行了测试评估。结果表明,这些SnO2气体传感器具有足够的灵敏度、响应速度和较低的制造成本。在此基础上,本文通过对这些气敏元件对CO及几种干扰气体的测试分析,筛选出了灵敏度、稳定性以及响应时间等性能均较好的掺杂敏感材料。 在新型传感器研制方面,将本文所研制的敏感材料与Al2O3基板相结合,对这种可采用微机械加工技术（加工基板）和常规微电子技术（加工电路加热器等）相结合的新型气体传感器进行了从设计到研制样品的全过程研究,初步制造出了A12O3基片上的微结构阵列式气体传感器。指出了这种传感器研制中的难点和关键技术,为今后深入开展这种新型气体传感器的研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 半导体气体传感器的发展历程
• 1.2 本文开展的主要工作
• 2 气敏元件的制作
• 2敏感材料的制备'>2.1 SnO₂敏感材料的制备
• 2.1.1 化学试剂及实验设备的选取
• 2.1.2 反应原理及粉末制取流程
• 2.2 粉体的表征
• 2.2.1 物相分析
• 2.2.2 晶粒大小分析
• 2.3 气敏传感器的制作
• 2.3.1 气敏元件的分类
• 2气敏元件的结构和特性'>2.3.2 掺杂SnO₂气敏元件的结构和特性
• 2.3.3 气敏元件的制作工艺流程
• 3 CO测试系统的设置
• 3.1 测试电路及工作原理
• 3.2 整个测试系统的组建
• 3.3 测试CO气体的条件、方法和参数
• 3.3.1 测试条件
• 3.3.2 测试方法
• 3.3.3 测试参数
• 4 不同重金属掺杂对CO的响应分析和比较
• 4.1 加热电压的测定
• 4.2 清洗采样时间的确定
• 4.3 五种重金属掺杂对CO的检测
• 4.4 五种元件检测CO灵敏度的比较
• 4.4.1 检测100ppmCO时的灵敏度比较
• 4.4.2 五种元件灵敏度随气体浓度的变化
• 4.4.3 元件灵敏度随时间的稳定性变化
• 4.4.4 响应时间和恢复时间比较
• 4.4.5 样品的分散性
• 4.5 测试影响因素分析
• 4.6 干扰气体对检测CO结果的影响及相关分析
• 4的测试结果及分析'>4.6.1 元件对CH₄的测试结果及分析
• 2对CO测试结果的影响'>4.6.2 H₂对CO测试结果的影响
• 2O₃基底微结构阵列式气体传感器'>5 新型Al₂O₃基底微结构阵列式气体传感器
• 2O₃微结构体的热设计'>5.1 Al₂O₃微结构体的热设计
• 2O₃陶瓷基片的制作工艺'>5.2 Al₂O₃陶瓷基片的制作工艺
• 5.3 加热器及电极材料的选取
• 5.4 基于MEMS技术的阵列式微结构气体传感器的制作过程
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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