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和消費國家。能源與化工原料的生產和運輸安全形勢非常嚴峻，能源化工領域?；沸孤┍ㄊ鹿暑l發(fā)，工農業(yè)中有毒有害氣體的排放導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，?；分杏卸居泻怏w的檢測技術尤為迫切。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、網絡化安全檢測的需要。而采用MEMS傳感器陣列技術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主要適用于微機械量傳感器，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具有工藝簡單、膜基結合性及熱匹配性好優(yōu)點，有利于納米敏感材料的結合。特別是優(yōu)良的機械加工性能，較高的介電系數(shù)，在結構上可實現(xiàn)梁膜結構。
　　本文針對硅基微熱板氣體傳感器及陣列存在的工藝復雜性、膜基兼容性差、熱應力失配等失穩(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。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和刻蝕技術，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)進行了氣敏特性分析和氣敏機理的探討。主要研究內容如下：
　　1.陶瓷微熱板傳感器陣列的熱結構尺度設計。根據(jù)陶瓷微熱板熱結構尺度效應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計，通過熱隔離梯形

4、通孔結構實現(xiàn)熱傳導損結構幾何因子的減小，降低了熱損耗。并給出了熱結構穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性及熱應力耦合分析，利用ANSYS有限元法進行了陶瓷微熱板的熱結構和熱應力仿真計算，確定了設計合理性及可行性。
　　2. In-Nb復合氧化物半導體敏感材料的合成及特性研究。為解決氯氣等強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復合半導體納米氧化物作為敏感材料，并對其進行了 XRD和SEM表征分析。通過不同溫度下納米

5、結構變化規(guī)律特征，給出了氣敏特性和電導特性的影響機理分析。
　　3.氮化鋁陶瓷微熱板傳感器陣列的制備工藝技術研究。為改進陶瓷襯底表面復雜形貌金屬成型工藝難實現(xiàn)，及陶瓷基底難加工特點，提出了柔性機械剝離工藝方法和激光微加工工藝方法相結合的工藝制備技術。通過柔性機械剝離工藝法，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特性進行對比分析，給出了溫度調至下存在的三種熱響應機制。針對 Cl2、NO2、SO2、CO四種典型有毒有害氣體進行了氣敏響應特性和靈敏度特性分析，得到了 In-Nb復合氧化物半導體氣體傳感器陣列，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