基于MEMS技术的金属氧化物半导体p-n异质结乙醇微型传感器

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伴随着工业的发展和人们对生活质量生活品质要求的提高,气体敏感传感器越发受到生产生活的重视。大到工业中NO2,SO2的废气检测,小到日常的天然气检测与醉驾检测(检测驾驶员口腔中的乙醇浓度),可以说气体传感器已经全面融入到人们的生活之中。目前对于金属传感器的研究已经非常全面且深入,但与此同时,以涂覆纳米材料手段为主的传感器也暴露出很多问题:比如器件的一致性,制作效率以及较高检测温度带来的高耗能问题。这大大限制了它们的实际应用与销售。为了解决这些问题,借助微电子机械系统(MEMS)加工技术产生的新型传感器诞生了。它的出现成功解决了传感器微型化,一致性,高耗能的问题。然而,对新型传感器的研究并没有完全成熟;微电子加工工艺很难克服传感器材料单一化与结构单一化的问题,这依然制约着新型传感器的发展。因此本文通过这两个方面的研究来为新型传感器寻找更加广泛的发展模式与发展方向。首先,针对MEMS传感器材料单一的问题,本文通过共溅射技术将Pd成功掺杂到SnO2-NiO薄膜并将其集成在MEMS微加热板上,而设计溅射靶和改变溅射功率可以调节传感膜的成分和掺杂含量。制成的Pd掺杂SnO2-NiO传感膜不仅对50ppm乙醇有着12的平均响应(显著高于SnO2-NiO和Pd/SnO2传感膜),而且对乙醇的选择性远高于CO,NH3,SO2,NO,NO2,乙烯,丙酮和甲苯等气体。灵敏度和选择性的提高归因于传感材料中异质结的设计(肖特基势垒和p-n异质结)和Pd对乙醇氧化的催化作用。此外,Pd/SnO2-NiO传感器具有良好的一致性(<15%),高稳定性和宽泛的工作温度范围(325-400℃)。所有这些特性都有利于MEMS气体传感器的生产和应用。我们的工作不仅使用完整的MEMS技术制造了微型气体传感器,而且通过共溅射这个思路大大丰富了 MEMS传感器的材料选择,为后续MEMS传感器发展扩宽了思路。而针对MEMS传感器结构单一的问题,本文则利用自组装和等离子刻蚀制备了可控制线宽和孔直径的聚苯乙烯微球(PS)阵列模板,并使用MEMS工艺(磁控溅射,光刻等)成功地制备了 SnO2-NiO交联网络传感器。与单纯的SnO2-NiO膜相比,此传感器表现出巨大的性能提升——在300℃下,对50 ppm乙醇的响应在10左右,并且具有较好的选择性。而且,它在不同浓度乙醇的连续测试中显示出良好的线性,这也为后续MEMS传感器的多样化研究奠定了基础。
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