气敏传感器的应用越来越广泛,同时各种应用也对气敏传感器的灵敏度性能提出了更高的要求。本文将分形几何理论与微机电系统（MEMS）技术和微热板工艺相结合,研究了一种基于分形几何图形优化的新型气敏传感器电极结构,并提出了基于分形结构电极的高性能气敏传感器的设计和制作方法,通过理论分析、仿真分析和实际制作的传感器实验测试共同验证了本文所提架构的正确性和优越性。论文主要研究工作和创新如下:①提出了基于分形几何的电极结构和新型气敏传感器的设计理念与方法根据分形几何的自相似性和标度不变性,总结了分形几何具有大比表面积、大场强和简单规则生成复杂结构的三大优势,并根据生物嗅觉系统中具有分形特征这一生理学基础,提出分形几何与气敏传感器结构优化相结合的理念。针对目前分形几何在传感器中的应用主要是对敏感材料的微观分析,未能最大限度提升气敏传感器灵敏度的问题,本文提出利用分形几何理论对传感器电极结构进行设计的方法,分析了该方法对于传感器性能提升的原理和优势,即大比表面积特性可以提高电极与敏感材料的接触面积,大场强特性可以增大传感器气敏响应信号的强度,简单规则生成复杂图案特性可以降低传感器的制作难度与成本。②探索了基于空间填充曲线的分形结构电极的设计方法和性能分析本文运用递归算法和文法构图算法重现了 Peano曲线和Hilbert曲线,然后设计了基于这两种分形结构的传感器电极;计算了分形电极和传统叉指电极的维数和比表面积大小,证明了分形结构具有更高的不规则程度和更大的比表面积;从理论上分析了分形电极和叉指电极的场强分布,推导了电极板平行处和尖端的场强大小,根据高斯电场定律分析了分形结构对电场强度的增强原理,证明了分形结构的大场强特性。最后,作者利用Maxwell电磁仿真软件验证了不同结构电极的电场强度,结果表明:相同尺度下分形电极的电场强度最大,是叉指电极的1.6倍;Hilbert平面填充曲线电极比Peano平面填充曲线电极对电场增幅效果更好。③验证了分形电极相较于传统叉指电极可以提高传感器的灵敏度本文采用Hilbert空间填充曲线对气敏传感器的电极结构进行设计,为了验证该类分形曲线电极结构的有效性,选用了易于制备的碳纳米管作为敏感材料,以普通印制电路板的工艺制作了三层平面薄膜结构的阻容型气敏传感器。然后使用拉曼光谱仪和扫描电镜对传感器的形貌进行了表征,并对其阻容型电路模型进行了分析。最后以NO为目标气体构建了传感器测试平台并进行了气体测试实验,结果表明所制作的传感器对于2-10 ppm浓度的NO具有良好的气敏响应,且传感器在不同频率信号下具有不同的响应特征。对比实验发现:分形电极传感器相较于传统的叉指电极传感器在响应灵敏度方面的增幅达到76%,但传感器仍然存在响应恢复时间较长的问题。④证明了基于MEMS制作的分形电极可以提升现有气敏传感器的综合性能根据作者的理论推导,缩小电极板的宽度和间隙缩具有电场强度增强效应进而提升传感器灵敏度,因此采用MEMS工艺将电极板的宽度和间隙缩小至10 μm和5 μm;基于微热板技术制作了多层平面结构的气敏传感器以缩短传感器响应恢复时间;采用银纳米粒子掺杂碳纳米管作为敏感材料并使用喷涂法制备了气敏薄膜。通过低浓度的NO标准气体实验结果表明:微热板技术与传感器相结合可以将其响应恢复时间从1小时以上缩短至4分钟;分形结构将传感器的最低检出限从2 ppm降低到50 ppb,且分形电极传感器的灵敏度高于叉指电极传感器,传感器的重复性和稳定性能良好。证实了在缩小电极板的宽度和间隙、增加微热板和敏感材料改进的基础之上,基于分形几何电极结构的传感器还可以进一步地提升其传感性能。