陶瓷微熱板氣體傳感器陣列及檢測系統(tǒng)研究.pdf

1、目前，我國是世界最大的能源化工原料的生產(chǎn)和消費國家。能源與化工原料的生產(chǎn)和運(yùn)輸安全形勢非常嚴(yán)峻，能源化工領(lǐng)域?；沸孤┍ㄊ鹿暑l發(fā)，工農(nóng)業(yè)中有毒有害氣體的排放導(dǎo)致大氣污染程度日益突出，要求快捷有效的檢測手段不斷提高，其中，危化品中有毒有害氣體的檢測技術(shù)尤為迫切。采用傳統(tǒng)的傳感器檢測具有體積大、功耗高、缺乏集成化等缺陷，已無法滿足現(xiàn)代智能化、網(wǎng)絡(luò)化安全檢測的需要。而采用MEMS傳感器陣列技術(shù)可以滿足氣體傳感器的微型化、集成化、低功耗檢測要

2、求。
　　MEMS硅基工藝的體硅刻蝕技術(shù)主要適用于微機(jī)械量傳感器，在硅基微熱板氣體傳感器及陣列中存在多種成膜工藝復(fù)雜、兼容性差、熱失配等缺陷。而陶瓷微熱板傳感器及陣列技術(shù)具有工藝簡單、膜基結(jié)合性及熱匹配性好優(yōu)點，有利于納米敏感材料的結(jié)合。特別是優(yōu)良的機(jī)械加工性能，較高的介電系數(shù)，在結(jié)構(gòu)上可實現(xiàn)梁膜結(jié)構(gòu)。
　　本文針對硅基微熱板氣體傳感器及陣列存在的工藝復(fù)雜性、膜基兼容性差、熱應(yīng)力失配等失穩(wěn)行為，提出了采用氮化鋁陶瓷基 MEM

3、S工藝制備陶瓷微熱板傳感器陣列的技術(shù)。解決陶瓷微熱板傳感器陣列的熱干擾問題，及陶瓷基 MEMS工藝的光刻剝離技術(shù)和刻蝕技術(shù)，實現(xiàn)了基于 AlN陶瓷微熱板氣體傳感器陣列的制備，及對幾種有毒有害氣體的檢測，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣敏特性分析和氣敏機(jī)理的探討。主要研究內(nèi)容如下：
　　1.陶瓷微熱板傳感器陣列的熱結(jié)構(gòu)尺度設(shè)計。根據(jù)陶瓷微熱板熱結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)和陶瓷濕法定向刻蝕難實現(xiàn)的特點，提出可適用于激光微加工刻蝕工藝的熱隔離設(shè)計，通過熱隔離梯形

4、通孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱傳導(dǎo)損結(jié)構(gòu)幾何因子的減小，降低了熱損耗。并給出了熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性及熱應(yīng)力耦合分析，利用ANSYS有限元法進(jìn)行了陶瓷微熱板的熱結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)力仿真計算，確定了設(shè)計合理性及可行性。
　　2. In-Nb復(fù)合氧化物半導(dǎo)體敏感材料的合成及特性研究。為解決氯氣等強(qiáng)氧化性氣體的高濃度、寬量程、低溫檢測要求。研究并制備了 SnO2和In-Nb復(fù)合半導(dǎo)體納米氧化物作為敏感材料，并對其進(jìn)行了 XRD和SEM表征分析。通過不同溫度下納米

5、結(jié)構(gòu)變化規(guī)律特征，給出了氣敏特性和電導(dǎo)特性的影響機(jī)理分析。
　　3.氮化鋁陶瓷微熱板傳感器陣列的制備工藝技術(shù)研究。為改進(jìn)陶瓷襯底表面復(fù)雜形貌金屬成型工藝難實現(xiàn)，及陶瓷基底難加工特點，提出了柔性機(jī)械剝離工藝方法和激光微加工工藝方法相結(jié)合的工藝制備技術(shù)。通過柔性機(jī)械剝離工藝法，提高傳統(tǒng)光刻剝離工藝的剝離效果，相對反轉(zhuǎn)膠剝離工藝法，簡化了剝離工藝步驟，降低了制備工藝成本。
　　4.氮化鋁陶瓷微熱板傳感器陣列熱失穩(wěn)特性及氣敏特性測試

6、分析。根據(jù)陣列單元之間的熱耦合特性，提出了陣列單元的四種熱干擾模式，并進(jìn)行了四種模式下的熱干擾測試分析。對熱隔離前后的熱響應(yīng)特性進(jìn)行對比分析，給出了溫度調(diào)至下存在的三種熱響應(yīng)機(jī)制。針對 Cl2、NO2、SO2、CO四種典型有毒有害氣體進(jìn)行了氣敏響應(yīng)特性和靈敏度特性分析，得到了 In-Nb復(fù)合氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器陣列，對氧化性氣體Cl2、NO2能實現(xiàn)高濃度、寬量程的理想檢測要求。
　　5.針對所制備的氮化鋁陶瓷微熱板傳感器陣列，設(shè)