【摘 要】
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金属氧化物半导体（MOS）气体传感器因其结构简单、灵敏度高、体积小和价格低廉等优点,在环境检测等领域具有良好的应用前景。微机电系统（MEMS）微加热板是目前MOS传感器的主要发展方向,微机电加工技术为其大量应用需求提供了坚实基础。本文研究MEMS微热板传感器芯片的晶圆级制造技术,进而在制造完成的传感器芯片上装载纳米敏感材料制成了气体传感器并开展了性能和机理研究,具体成果如下:（1）制造了一款MEM
【基金项目】
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国家重点研发计划制造基础技术与关键部件专项“低功耗MEMS传感器阵列制造技术”（2020YFB2008603）、“晶圆级气敏薄膜制备与热学特性测试”（2020YFB2008602）； 国家重点研发计划智能传感器专项“低功耗新型气敏元件的工作机制”（2021YFB3201302）； 国家自然科学基金联合基金重点项目“异质复合半导体纳
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金属氧化物半导体（MOS）气体传感器因其结构简单、灵敏度高、体积小和价格低廉等优点,在环境检测等领域具有良好的应用前景。微机电系统（MEMS）微加热板是目前MOS传感器的主要发展方向,微机电加工技术为其大量应用需求提供了坚实基础。本文研究MEMS微热板传感器芯片的晶圆级制造技术,进而在制造完成的传感器芯片上装载纳米敏感材料制成了气体传感器并开展了性能和机理研究,具体成果如下:（1）制造了一款MEMS低功耗微热板传感器芯片。在设计上采用四悬臂支撑加热板结构降低了功耗。在晶圆级制造工艺上,对关键工艺金属电极剥离和绝缘层沉积进行了研究,成功实现了微热板传感器芯片批量制造。该传感器芯片功耗低,在300℃工作时功耗仅有28 m W;芯片一致性好,加热电阻值标准差为1.26;晶圆上成品率大于95%。（2）制备了基于Zn Mn2O4纳米管的二氧化碳传感器并研究了敏感机理。采用三步水热方法,成功合成出Zn Mn2O4纳米管并对其进行表征,结果显示Zn Mn2O4纳米管的直径约为100 nm,长度约为1μm。对二氧化碳传感器气敏性能进行评估表明,其最佳工作温度为175℃,浓度响应范围2.5%至100%,传感器具有良好的重复性（相对标准差为0.551%,n=3）,选择性良好。此外,传感器在空气和氮气氛围中有相似的敏感特性,采用XRD、XPS和原位拉曼研究表明,敏感反应过程中一部分Mn3+可能发生了歧化反应,反应产物是Mn CO3和Zn Mn O3。由于传感器在空气和氮气下都可以工作,具有较广的适用性。（3）开发了一种在微热板芯片上限域化原位生长纳米材料的方法。在微热板表面原位生长了氧化锌纳米线,其平均直径为85±5 nm,然后合成了立方体型纳米钯催化剂,其平均边长为20 nm。进而将纳米钯负载至氧化锌纳米阵列上制成了氢气传感器,结果显示该传感器各批次之间响应值标准差为0.01028,有良好的一致性,且对氢气有良好的气敏性能,体现了限域化原位生长纳米材料技术具有良好的一致性和适用性。
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