新型MEMS和NEMS有機(jī)氣體傳感器的研究.pdf

1、揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile organic compounds，VOC)給人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害，長(zhǎng)期暴露在VOC氣體中會(huì)引起多種疾病，如呼吸道疾病、眼角膜疾病、神經(jīng)性疾病、癌癥、甚至造成死亡。此外，揮發(fā)性有機(jī)氣體如乙醇、甲醇、汽油等蒸汽與空氣混合會(huì)形成可爆炸的混合氣體，碰到熱源或明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)，然而這些氣體卻廣泛的存在于石油、化工、燃?xì)?、冶金等?chǎng)所。因此，快速和準(zhǔn)確地檢測(cè)出環(huán)境中有機(jī)氣體的濃度對(duì)保護(hù)人類(lèi)的健康和安全

2、具有重要的意義。本文基于聚合物的溶脹效應(yīng)制備了新型MEMS(Microelectromechanical Systems)和NEMS(NanoelectromechanicalSystems)壓阻式有機(jī)氣體傳感器，用于有機(jī)氣體濃度的檢測(cè)。本論文的主要研究工作如下:
　　1.基于聚合物薄膜的溶脹效應(yīng)研究了一種新型的MEMS壓阻式有機(jī)氣體傳感器，分析了該類(lèi)有機(jī)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)，探討了傳感器的敏感機(jī)理，討論了低氣體壓力下聚合物敏感膜對(duì)目

3、標(biāo)氣體的吸附溶脹特性，研究了聚合物敏感膜參數(shù)、MEMS薄膜參數(shù)和傳感器供電電壓對(duì)氣體傳感器輸出性能的影響，為制備此類(lèi)有機(jī)氣體傳感器提供理論指導(dǎo)依據(jù)。
　　2.基于硅橡膠敏感薄膜實(shí)現(xiàn)了新型MEMS有機(jī)氣體傳感器，研究了其對(duì)苯蒸氣的響應(yīng)特性;基于環(huán)氧丙烯酸酯敏感薄膜制備的MEMS有機(jī)氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙醇、甲醇和甲醛等氣體的檢測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究了這些氣體傳感器對(duì)不同有機(jī)氣體的響應(yīng)特性，如檢測(cè)靈敏度、線(xiàn)性度、重復(fù)性和穩(wěn)定性。同時(shí)通過(guò)

4、實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)境溫濕度及聚合物敏感膜的參數(shù)設(shè)置對(duì)該類(lèi)傳感器輸出性能的影響。此類(lèi)有機(jī)氣體傳感器可以在常溫下工作、具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)加熱元件、功耗小、成本低、與CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)工藝兼容、易于和信號(hào)處理電路集成等特點(diǎn)。
　　3.為了提高新型MEMS有機(jī)氣體傳感器的性能，本文基于硅納米線(xiàn)(SiNWs)的巨壓阻效應(yīng)和超低的功耗，采用同CMOS工藝兼容的自上而下的方法

5、，將p型硅納米線(xiàn)嵌入NEMS薄膜中作為壓敏檢測(cè)元件，用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)為敏感薄膜制備了基于硅納米線(xiàn)的NEMS有機(jī)氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氯仿氣體的檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，與MEMS有機(jī)氣體傳感器相比，該傳感器具有更小的體積、更高的檢測(cè)靈敏度、更低的工作電壓和更低的功耗。
　　4.為進(jìn)一步優(yōu)化基于硅納米線(xiàn)的NEMS有機(jī)氣體傳感器的性能，運(yùn)用有限元方法分析并優(yōu)化了p型硅納米線(xiàn)的設(shè)置位置，通過(guò)