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1、黑龙江人学硕士学位论文集成薄膜型气体传感器的研究姓名刘鑫申请学位级别硕士 专业微电子学与固体电子学微电子机械加工系统指导教师邱成军20060603中文摘 要中文摘要微结构气体传感器是近年來国际上传感技术领域的研究热点。集成薄膜 型气体传感器是利用微电子、微机械加工和薄膜技术将加热、温度检测电阻、测试 电极和敏感薄膜集成一体的气敏器件具有低功耗、易集成、易智能化等优点。奉文 采用技术制作了集成薄膜型气体传感器。从理论上阐述了薄膜型气体传感器的上作 原理对气体传感器的结构进行设计、模拟和优化。根据实际工艺条件及工艺设备制 定可行的工艺方案研制出气体传感器。此外对多晶硅电极的电阻温度特性进行测试。
2、选用高分子聚合物瞅菁铜作为敏感膜阐述駄菁材料的结构从半导体理论的角度解释 了瞅菁类物质的敏感机理。制各台成駄菁铜采用真空蒸发镀膜法制各瞅菁铜敏感膜 并给出敏感膜的灵敏度、温度特性、响应时间和恢复时间的测试结果。关键词集成 气体传感器瞰菁铜二氧化氮黑龙江大学硕士学位论文第章绪论第章绪论现代电 子信息的三大支柱技术是传感器技术、计算机技术和通讯系统技术。其中传感器技 术是信息获取的核心被列为近十年世界现代电子技术的首位。它在交通运输、信息 技术、医疗保健、工农业生产、环境保护、航空航天、国防军事乃至人们的口常生 活等许多领域中都得到了广泛应用。在信息技术高速发展的今犬随着各种系统的自 动化程度和复
3、朵性的增加需要获取的信息量越來越多。对信息的处理、转换、存储 和显示等都与计算机直接相关属于共性技术而以计算机为核心的测控系统都需要传 感器。传感器作为获取信息、技术的源头它的性能好坏与否直接关系到测控的精确 性。气体传感器及其发展历程人类的H常生活和生产活动与周围气氛环境紧密和关 气氛的变化对人类有极大的影响。例如气氛小缺氧会使人感到窒息甚至昏迷致死气 氛中含有毒气体则会给人体带来更大危害可燃性气体的泄漏会引起爆炸和火灾使人 的生命和财产遭受巨大的损失。正因为气氛与人类的生命财产密切相关所以人类很 早就开始了对气氛的检测和控制方法的研究。气体传感器是种把气体中的特定成分 检测出来并将它转换成
4、电信号的器件以便提供有关待测气体的存在及其浓度大小的 信息气休传感器是化学传感器的一个重要分支随着科学技术的发展工农业生产 规模逐渐扩大产品的种类不断增多气体传感器在生产和生活的许多方面所扮演的角 色越来越重要。例如在一俩豪华的轿车内常装有上白个传感器而气体传感器的主要 作用在于控制发动机的燃烧黑龙江大学硕士学位论文过程使燃烧完全减少有害、有 毒气体的排出。在国防和军事方面气体传感器可用于非法药物检查、化学细菌武器 的防御等在化学化工领域气体传感器可用于监测和控制化学反应过程在食晶加工工 业中气体传感器可用于质量监测生产过程控制等。随着家用屯器的发展气体传感器 已经进入家庭如家用气体泄漏报警、
5、空气质量监控等等。因此气体传感器在许多方 面尤其是在防灾警报、防治公害和计量检测方面有着广泛的应用前景。近年來酸雨、 温室效应、奥氧层破坏、环境污染等问题给气体传感器提出了新的研究课题增加新 的研究内容和难度。检测气体的种类也有很大的扩展例如检测各种有毒有害的气体、和等探测备种可燃性气体、等探测温室效应气体和污染环境气体监 测和监控汽车尾气、工业废气探测和分析鱼、肉等食品发出的气味和人的呼气以了 解食品的新鲜度和人的健康状况。气体传感器的历史并不十分悠久但从最初传统的 分立传感器发展到现今的集成气体传感器也经历了多个发展阶段。就半导体气体传 感器而言最先研制的半导休气体传感器是年代初期的薄膜器
6、件。它是利用加热条件F薄膜屯阻随着接触的可燃性气体浓度的增加而下降的特性实现对可燃性气体 的检测。继而又发现在。烧结体中添加 或 等贵金属对检测可燃性气体也是有 效的并采取了一些措施克服机械强度和稳定性等在实际应用方面的不足。年本费加 罗研制生产的分立烧结型二氧化锡气体传感器第一次进入市场“其结构示意图如图 所示。第章绪论加热电图分立式烧结型气体传感器示意图分立式烧结型气敏器件根 据加热元件位置可分为直热式和旁热式两种。直热式传感器是将加热元件与测试电 极一同烧结在氧化物材料及催化添加剂的混合体内加热元件直接对氧化物敏感器件 加热。旁热式传感器是釆用陶瓷管作为基底将加热元件装入陶瓷管内而测试电
7、极、 氧化物材料及催化添加剂则烧结在陶瓷管的外壁。加热元件经陶瓷管壁均匀地对氧 化物敏感元件加热。这类传感器由于结构简单、制作方便、寿命长等特点冃前仍是 产屋较大、应用较广的一类传感器。但是这类传感器也有体积大、功耗大、响应慢 和选择性差等不可避免的弱点。年代初随着硅技术的发展出现了以硅技术为基础的 压力、加速度等物理量传感器。自年代起硅技术也同样成功地应用于化学传感器包 括气体传感器。于是出现了用半导体和厚膜、薄膜技术制作的氧化锡气体传感器 如图、所示。气皱材料检测电极图分立式厚膜型气体传感器图分立式薄膜型气体传 感器墨垄江大学硕士学箸鲨耋一一一一一一厚膜型气皱器件是将、 等氧化物材料与重量
8、的硅凝胶混合并加入适量的催化剂制成糊状物然后将该 糊状混合物卬刷到事先安装有加热元件的基片上待口然干燥后置于一C中烧结制 成。薄膜型气敏器件的表面积很人表面电导率的变化对整个黠件电导率的变化贡献 很大。这两种器件相对于烧结型器件来说制作方法简便但器件特性差别校大灵敏度 不如烧结型器件高。分立式气体传感器虽然在这些年的发展中也在不断进步但是它 口身存在着诸如器件体积大、功耗高等缺点已使其很难适应新的发展要求而将逐渐 被淘汰因此发展高性能的、以硅材料为主的各种先进微结构气体传感器就成为重要 的发展方向Z 。微结构气体传感器现今气体传感器研究发展的最新热点Z就 是微结构气休传感器的研究以及微电子机械
9、技术在气休传感器领域中的应用。出于 得到集成电路工业的支持世纪年代后期硅表面微机械加工技术的快速发展对传统的 传感器行业产生了极大的冲击。为此世界各国对微电子机械系统缩写为寄予极大的重 视。采用技术制造气体传感器是气体传感器制造技术的一次变革它将影响未來的科 学技术、产业、经济以及人们的口常生活。概述技术是近年來随着半导体集成电路 微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而迅速发展起來的一个研究领域。它起 源于世纪年代的硅半导体技术随着半导体硅工艺技术的发展出现了用第章缝论硅平 面工艺技术制作的硅压力传感器这可以认为是最早出现的器件在其后也出现了利用 硅的其他效应制作的各种传感器。进入世纪一年代
10、在硅微电子集成技术的基础上并 逐渐形成口己的工艺技术体系。到了年代己经出现了多个了系统复合组成的相当复 杂的器件也就是说微电了机械系统的发展己进入了系统集成的水平是指采用微电 了等批量加工工艺制造的集微机械与微电了等部件于一体的口动化、智能化的微机 电器件、装置与系统“。主要的器件有微传感器、微执行器、微结构器件和微系统。 微执行器是中的一个重要组成部分它一般都具有可活动的部件去执行某些动作完成 一定的操作功能。微结构气体传感器的研究始年代初目前国际上包括美、德、韩、意、瑞士等国家都在开展这。，研究并逐渐将其产业化。的诞生和发展是新的 高技术产业生长点被认为将导致 世纪一场新的产业革命但要促使
11、技术向更深一步 发展必须加速进行设计和测试以及相应的开发 。具有以下特点微型化器件体积 小、精度高、重量轻、耗能低、惯性小、响应时间短。其体积可达亚微米以下尺寸 精度达纳米级重量可至纳克以硅为主要材料硅机械电气性能优良其强度、硬度和杨 氏模量与铁相当密度类似铝热传导率接近钳和鸽能耗低、灵敏度和T作效率高很多 的微机械装置所消耗的能量远小于传统机械的十分Z但却能以十倍以上的速度来 完成同样的工作批量生产用硅微加丁艺在一片硅片卜可以同时制造成百上干黑龙江 大学硕士掌位论文个微机械部件或完整的批量生产可以大人降低生产成木集成化可 以把不同功能的多个传感器或执行器集成于一体形成微传感器阵列或微执行器阵
12、列 甚至可以把器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器、执行器和 集成 在一起可以制造岀高可靠性和高稳定性的多学科交叉以微电子及机械加工技术为依 托范I韦I涉及微电子学、力学、自动控制学、材料学、化学等多种工程技术和学科豊 的主要技术手段有三种一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加 工技术二是以徳国为代表发展起來的光刻电铸模造技术三是以口本为代表发展的精 密加工技术。第一种方法与传统工艺兼容可以实现微机械与微电子的系统集成并适 合于批量生产C经成为目前的主流技术。当前硅基微加工技术可分为表面微加工技 术休微加工技术0在以硅为基础的加工技术中最关键的加工工 艺主要包括高深宽比
13、的各向界性腐蚀技术、键合技术及表面牺牲层技术等。第二种 技术可以加工各种金屈、塑料和陶瓷等材料可以得到高深宽比的精细结构也是一种 比较重要的的加工技术。是德文光刻、电铸、塑铸三个词的缩写。技术是指采用深度射线光刻微电铸成型和塑料铸模等技术相结合的一种综合性加工技术 是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。技术补偿了表面微机械加工技术的 不足。第三种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置例如微型机 械手、微型工作台等等”。嘔随着微加工和小型化技术的不断发展器件在汽车工业、 第章绪论生物医学和航天T程等领域的应用正在以令人惊异的速度显现。在汽车T 业方而业已开发制作出上白个微传感器用
14、于传感汽车的防撞气囊、压力、温度、湿 度、气体等情况以及进行智能控制以满足使汽车更安全驾驶更舒适灵巧便利环保等 要求。在生物医学方面通过微机械加工技术制作出可以夹起一个红细胞的微型银子 用于微量输液的微型泵用于监测分娩、血管重建手术中的微压力传感器等。在航天、 军事领域方面研制了微加速度计、微陀螺仪、微热管、微压力传感器、化学传感器 等多种微系统产品“泛应用在飞机、武器的性能改进以及航空航天的监测、探索方 面小。微结构气体传感器的研究现状利用技术制作的微结构气体传感器具有体积 小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等优点并 且对于气体传感器的集成化、智能化、多功能化以
15、及提高其选择性、可靠性和稳定 性都有垂要的意义。目前微结构气体传感器已逐渐成为气体传感器领域的一种主要 结构形式“。气饰传感器的种类繁多现已开发的采用技术制作的微结构气体传感器 主要有薄膜电导电阻型气体传感器、平面热线型气体传感器、固体电解质气体传感 器、硅梁谐振气休传感器和声表面波气体传感器等等亠薄膜电导电阻型气体传感器它是利用敛感膜吸附气体后其电导率电阻率的变化来实现对气体检测的。它 一般由加热元件、温度传感器、测试电极、气体敏感膜和衬底几部分组成。加热元 件可以采用扩散电阻、多晶硅或金属温度传感器可用结或金属制成叉指电极散选择金属电极。气体敏感膜黑龙江大学硕士学位论文根据被测气体的不同可
16、以选用 金属氧化物半导体敏感般或有机高分子敏感般。为了进一步减少功耗可以用硅的各 向异性腐蚀技术从背而将硅衬底减薄减少热耗散。这类传感器的特点是结构简单、 制作方便可以根据被测气体选择敏感膜理论上可以适用于任何一种气体的检测。台 湾的等人采用作为气体敏感膜做加热材料制作乙醇气体传感器。敏感膜尺寸为。工作温度在。时对乙醇气体有良好的选择性响应时间 恢复时间川。 村底图台湾 一等人研制的气体传感器美国洛杉矶大学采用种导电的碳黑聚合物为敏感膜研制了一种化学传感器阵列。它主要 是采用光刻胶在硅表面做出两种尺寸分别为、X的井然后淀积敏感膜。敏感膜的电阻变化在”。等人采用技术研制了如图所示的气体传感器。它以氧化铝为衬底掺的多晶硅为加热电极掺 的纳米 为敏感膜的气体。 当丁。作温度为。时检测气体的浓度可达到第章绪论图美国等人研制的气体传感器平面热线型气体传感器平面热线型气体 传感器实际上是一种高温屯阻温度计。可燃性气
