新型三维敏感电阻式半导体气体传感器的研究

论文摘要

科技的进步推动了工农业的蓬勃发展。然而,现代工农业生产过程中排出的废气越来越多,其中有不少气体是有毒气体和可燃气体。在人类的生活中,煤气泄露、爆炸等事故频繁发生。所以,我们必须在危险发生前对这些气体作出快速准确的检测,并发出危险警报,这样才能确保人们的生命财产安全。气体传感器在人们生产和生活中发挥着重要的作用,随着其应用的日益广泛,人们对其性能要求也越来越高。针对气敏元件的响应时间较长和灵敏度不高的问题,论文对传统的气敏传感器结构进行了优化设计。论文在详细阐述了气敏传感器的分类与原理的基础上,根据MEMS技术,引入离散阵列的概念,提出了两种新型气体传感器结构模型。这两种结构中,敏感部分的主体结构分别是由离散半圆柱体阵列和梯形阵列组成,这些离散立体敏感阵列使气体传感器具有了三维敏感特性,用扩散模型响应理论分析了敏感阵列对气体的响应,同时对设计器件的响应时间和灵敏度进行了分析比较。分析结果表明：离散半圆柱体敏感阵列结构器件和梯形阵列结构器件的响应时间性能和灵敏度都优于平面型敏感膜结构的传感器。离散半圆柱体阵列器件结构中,传感器的响应时间随着半圆柱体长度的增加而缩短,而灵敏度则随着半圆柱体长度的增加而减小。当半圆柱体的长度为扩散深度的2倍、3/2倍、1倍时,与传统平面连续敏感结构相比,它们的响应时间分别缩短了35%、28%、19%,同时它们的灵敏度分别为传统平面敏感结构灵敏度的2倍、7/3倍和3倍。梯形阵列器件结构中,传感器的响应速度和灵敏度都随着梯形上底长度的减小而提高,当梯形上底长度为扩散深度的1倍、3/4、1/2、1/3时,与传统平面敏感结构相比,它们的响应时间分别缩短了9%、13%、17%、19%,灵敏度也提高为传统结构灵敏度的1.2倍、1.24倍、1.28倍、1.31倍。当梯形上底长度减小为0时,它的响应速度和灵敏度提高最大,与传统平面敏感结构相比,其响应时间缩短了25%,灵敏度提高为传统平面结构的1.41倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外发展现状及发展方向
• 1.2.1 气体传感器国外发展现状
• 1.2.2 气体传感器国内发展现状
• 1.2.3 气体传感器发展方向
• 1.3 研究内容与结构安排
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 结构安排
• 第2章 气体传感器基础理论
• 2.1 气体传感器的分类及原理
• 2.1.1 电化学类气体传感器
• 2.1.2 光学类气体传感器
• 2.1.3 频率类气体传感器
• 2.1.4 电学类气体传感器
• 2.2 气体传感器的性能指标
• 2.2.1 响应时间
• 2.2.2 灵敏度
• 2.2.3 线性度
• 2.2.4 选择性
• 2.3 提高半导体气体传感器性能的途径
• 2.3.1 添加催化剂
• 2.3.2 控制材料的微细结构
• 2.3.3 控制元件的工作温度
• 2.3.4 使用过滤设备
• 2.3.5 优化基体表面结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 MEMS技术及半导体气敏元件的器件结构
• 3.1 MEMS技术
• 3.1.1 表面微机械加工技术
• 3.1.2 体微机械加工技术
• 3.1.3 LIGA技术
• 3.2 半导气敏元件的器件结构
• 3.3 本章小结
• 第4章 新型电阻式半导体气体传感器的设计与性能分析
• 4.1 新型三维敏感电阻式半导体气体传感器结构设计
• 4.2 气敏元件的工作机理
• 4.3 传统平面连续结构分析
• 4.3.1 薄膜厚度对传统平面连续结构性能的影响
• 4.4 离散半圆柱体结构分析
• 4.4.1 性能分析比较
• 4.5 梯形阵列结构分析
• 4.5.1 性能分析比较
• 4.5.2 梯形上底长度对梯形阵列结构响应时间的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文