微热板基气敏元件的设计与制作

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传统的旁热式气体传感器因其制作方便、成本低廉而实现批量生产,但是功耗大,一致性差,阵列化难度大,难以集成等一系列缺点也限制了其进一步发展。针对这一现状,本论文融合MEMS微加工技术与半导体氧化物敏感材料制备技术,开发了新型的高灵敏度、响应恢复迅速、体积小、低功耗、可集成的微热板基气敏元件。首先,通过微热板的结构设计、微热板的模拟仿真以及MEMS工艺流片,获得了低功耗、高可靠的悬挂式微热板结构。衬底材料为硅,支撑层为二氧化硅与氮化硅的复合膜结构,电极为铂,绝缘层为二氧化硅。器件整体尺寸为2mm×2mm×0.4mm,电极宽度10μm,间距10μm,电极引脚150μm×150μm。微热板热场分布均匀,400℃工作温度对应的实际功耗约为45.6mW,工艺流片成品率为75%左右。其次,通过水热法和共沉淀法分别制备了分等级中空ZnO微球和Pd掺杂的SnO2颗粒。分等级中空ZnO微球在275℃工作温度时对100ppm乙醇的响应时间为1s,恢复时间为19s,同时具有良好的选择性。然后,有效结合悬挂式微热板与敏感材料,通过微热板的引线制作、敏感材料成膜、器件焊接及老化,制作了微热板基气敏元件,并对其气敏特性进行了表征。ZnO基微结构气敏元件对NO2表现出了良好的敏感特性,可检测到40ppb的NO2,对应的灵敏度约为5。在检测低浓度NO2气体方面具有潜在应用价值。对500ppb NO2的灵敏度为45.2,器件响应时间为72s,恢复时间为89s。SnO2基微结构气敏元件对CH4表现出了良好的敏感特性,对3000ppm CH4的灵敏度为16.4,响应时间为1s,恢复时间为5s,同时具有良好的选择性。最后,介绍了在气敏材料制备过程中发现并解决的一个问题:锌锡复合物的物相验证。通过XRD,TG/DSC及FTIR等一系列简单而有效的表征手段验证了:参照文献合成的六面体及八面体锌锡复合物并不是所谓的钙钛矿型ZnSnO3,而是ZnSn(OH)6结构。
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