气敏传感器是一种探知气体信息的装置,在环境监测与保护(空气质量、机动车尾气检测等)、工业生产(工业废气监测等)、安全防护(易燃易爆、有毒有害气体探测等)等领域的作用越来越显著,但对低浓度探测气体的灵敏度较低、选择性差、功耗大一直是实际应用中所存在的问题。面对各行业对特定气体探测需求的不断提高,微型化、集成化、低功耗的新型高性能气敏传感器成为国内外科研人员的研究热点。本论文的研究工作主要为在室温气敏材料和低功耗气敏元件两方面来研究低功耗、高性能气敏传感器。为此,本论文通过气敏材料低维化、多孔化、与低维室温气敏材料复合、贵金属掺杂、异质结调控等手段,构建了硅基多孔硅/V2O5纳米棒、金修饰硅基多孔硅/V2O5纳米棒、及硅基多孔硅/WO3纳米线三种不同复合结构的室温气敏材料:通过多孔气敏材料与低功耗元件结合,制备了低功耗微加热式WS2气凝胶气敏元件,获得的研究成果及创新点如下:采用热处理金属钒薄膜的方法,制备了硅基多孔硅/V2O5纳米棒异质结构。通过对基底、热处理气氛和温度等关键的研究,系统分析了 V2O5纳米棒的生长机理,钒薄膜在空气中随温度升高逐渐氧化结晶,多孔硅有助于V2O5纳米棒生长核的形成,600 ℃时获得了长条形纳米棒结构。实验发现该异质结构在室温下具有良好的NO2敏感性能,表现为p型半导体特性,由于纳米异质结效应,V2O5纳米棒提高了多孔硅对NO2的灵敏度约6倍。采用热处理金/钒双层薄膜的方法,构建了金修饰硅基多孔硅/V2O5纳米棒复合结构。金纳米颗粒无规则分散在复合结构表面,随着金含量的增加,纳米棒长度缩短。由于贵金属的催化溢出效应,金颗粒提高了复合结构对NO2的灵敏度3倍左右,恢复时间缩短约40%,稳定性有所改善;随着金含量增加,该复合结构对NH3的灵敏度有所增加。表面修饰的金和V205纳米棒的微观结构共同影响复合结构的气敏性能。通过调控敏感材料的纳米尺寸,构建了反型(P型)硅基多孔硅/WO3纳米线n-n同型异质结。该反型复合结构由于表面氧的强吸附及多孔硅与WO3之间的纳米异质结效应,在室温下具有良好的NO2敏感性能。WO3纳米线将多孔硅对NO2的灵敏度提高了 3-5倍,大大改善了多孔硅对NO2的选择性。将大比表面积的多孔性WS2气凝胶转移到集成微加热板的传感器元件上,获得低功耗的气敏元件。该元件在室温下气敏性能较弱;250 ℃可获得最佳的敏感特性,功耗仅约4.6 mW,表现为p型半导体特性。实验发现,该元件在干燥空气中对NO2、O2、H2、NH3和水蒸汽均有不同程度的敏感响应,O2有助于提高WS2气凝胶对还原性气体H2、NH3和水蒸汽的灵敏度和恢复速率,在干燥N2中该元件具有良好的NO2敏感性能。