陶瓷微热板气体传感器阵列及检测系统研究.caj

陶瓷微热板气体传感器阵列及检测系统研究
作者 : 赵文杰
学位授予单位 : 哈尔滨理工大学
学位名称 : 博士
导师姓名 : 周真
学位年度 : 2015
摘要 : 目前,我国是世界最大的能源化工原料的生产和消费国家。能源与化工原料的生产和运输安全形势非常严峻,能源化工领域危化品泄漏爆炸事故频发,工农业中有毒有害气体的排放导致大气污染程度日益突出,要求快捷有效的检测手段不断提高,其中,危化品中有毒有害气体的检测技术尤为迫切。采用传统的传感器检测具有体积大、功耗高、缺乏集成化等缺陷,已无法满足现代智能化、网络化安全检测的需要。而采用MEMS传感器阵列技术可以满足气体传感器的微型化、集成化、低功耗检测要求。MEMS硅基工艺的体硅刻蚀技术主要适用于微机械量传感器,在硅基微热板气体传感器及阵列中存在多种成膜工艺复杂、兼容性差、热失配等缺陷。而陶瓷微热板传感器及阵列技术具有工艺简单、膜基结合性及热匹配性好优点,有利于纳米敏感材料的结合。特别是优良的机械加工性能,较高的介电系数,在结构上可实现梁膜结构。本文针对硅基微热板气体传感器及阵列存在的工艺复杂性、膜基兼容性差、热应力失配等失稳行为,提出了采用氮化铝陶瓷基MEMS工艺制备陶瓷微热板传感器阵列的技术。解决陶瓷微热板传感器阵列的热干扰问题,及陶瓷基MEMS工艺的光刻剥离技术和刻蚀技术,实现了基于Al N陶瓷微热板气体传感器阵列的制备,及对几种有毒有害气体的检测,并对检测数据进行了气敏特性分析和气敏机理的探讨。主要研究内容如下:1.陶瓷微热板传感器阵列的热结构尺度设计。根据陶瓷微热板热结构尺度效应和陶瓷湿法定向刻蚀难实现的特点,提出可适用于激光微加工刻蚀工艺的热隔离设计,通过热隔离梯形通孔结构实现热传导损结构几何因子的减小,降低了热损耗。并给出了热结构稳态和瞬态特性及热应力耦合分析,利用ANSYS有限元法进行了陶瓷微热板的热结构和热应力仿真计算,确定了设计合理性及可行性。2.In-Nb复合氧化物半导体敏感材料的合成及特性研究。为解决氯气等强氧化性气体的高浓度、宽量程、低温检测要求。研究并制备了Sn O2和InNb复合半导体纳米氧化物作为敏感材料,并对其进行了XRD和SEM表征分析。通过不同温度下纳米结构变化规律特征,给出了气敏特性和电导特性的影响机理分析。3.氮化铝陶瓷微热板传感器阵列的制备工艺技术研究。为改进陶瓷衬底表面复杂形貌金属成型工艺难实现,及陶瓷基底难加工特点,提出了柔性机械剥离工艺方法和激光微加工工艺方法相结合的工艺制备技术。通过柔性机械剥离工艺法,提高传统光刻剥离工艺的剥离效果,相对反转胶剥离工艺法,简化了剥离工艺步骤,降低了制备工艺成本。4.氮化铝陶瓷微热板传感器阵列热失稳特性及气敏特性测试分析。根据阵列单元之间的热耦合特性,提出了阵列单元的四种热干扰模式,并进行了四种模式下的热干扰测试分析。对热隔离前后的热响应特性进行对比分析,给出了温度调至下存在的三种热响应机制。针对Cl2、NO2、SO2、CO四种典型有毒有害气体进行了气敏响应特性和灵敏度特性分析,得到了InNb复合氧化物半导体气体传感器阵列,对氧化性气体Cl2、NO2能实现高浓度、宽量程的理想检测要求。5.针对所制备的氮化铝陶瓷微热板传感器阵列,设计并实现了基于ARM Cortex-M3微处理器的数据采集检测系统。并搭建了可用于有毒有害气体检测的密闭测试系统平台,实现了所制备的陶瓷微热板传感器阵列实时在线信号检测要求。经测试结果分析,验证了所制备的陶瓷微热板气体传感器阵列设计的合理性及关键工艺技术的可行性,为陶瓷微热板传感器阵列微系统技术的深入研究和发展奠定了基础。