【摘 要】
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随着对石墨烯材料与MEMS工艺研究的不断深入,其在气体传感器领域的应用潜力也被逐步发掘。目前以石墨烯气敏材料为基础,结合MEMS工艺设计制造的新型气体传感器,因兼具石墨烯材料的低反应温度、高气敏性能与MEMS芯片的低功耗、高灵敏度等优势而有着较大的研究价值。本文基于上述背景,制备并研究一种双金属氧化物修饰的石墨烯基MEMS气体传感器。将双金属氧化物Cu O/In2O3修饰于还原氧化石墨烯r GO表
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随着对石墨烯材料与MEMS工艺研究的不断深入,其在气体传感器领域的应用潜力也被逐步发掘。目前以石墨烯气敏材料为基础,结合MEMS工艺设计制造的新型气体传感器,因兼具石墨烯材料的低反应温度、高气敏性能与MEMS芯片的低功耗、高灵敏度等优势而有着较大的研究价值。本文基于上述背景,制备并研究一种双金属氧化物修饰的石墨烯基MEMS气体传感器。将双金属氧化物Cu O/In2O3修饰于还原氧化石墨烯r GO表面,制备成气敏复合材料。针对一步水热法或溶剂热法制备所得的石墨烯基复合材料中有中间产物残留的问题,研究一种分步制备单一材料,一步超声水热制备石墨烯基复合材料的方法,经表征分析,基于此方法制备的r GO-Cu O/In2O3材料中残留的中间产物极少,不会对气敏性能造成影响。设计含有层叠结构的新型MEMS芯片,构建芯片的三维结构模型。使用有限元方法对芯片进行结构热力学分析,得到芯片的温度、形变与应力分布,以验证其结构设计的合理性。针对芯片的有限元分析中结果精度低、计算效率低的问题,研究一种分布式的网格划分方法,经单元质量检查,基于此方法建立的芯片结构化网格模型的单元质量较高,可实现较高精度的分析。在此基础上研究一种使用高阶单元以接触连接方式建立有限元模型的方法,经对比分析,基于此方法优化的芯片有限元模型,有着更高的计算精度与效率。利用MEMS工艺制备气体传感器,并测试传感器的气敏性能。通过分析所得数据可知,传感器对20～200ppm氨气有着较强的气敏响应,响应灵敏度随着氨气浓度的升高而增大,响应时间约为98s、恢复时间约为180s,气体选择性较强,稳定性较好。通过探究气敏响应原理可知,Cu O/In2O3修饰于r GO表面时,所引入的p-n型异质结构提高了传感器的气敏响应性能。
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