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微热板阵列式气体检测元件的设计、仿真与制备

作　者: 朱思敏
导　师: 熊继军; 谭秋林
学　校: 中北大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 微热板 气体检测元件 陈列式 热分析 氧化锌薄膜
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着全球经济的快速发展，环境恶化尤其是各种有毒、有害和温室气体排放导致的空气污染、雾霾等问题日益突出，严重影响了人们的健康和生活质量。进入二十一世纪，随着人们对生活品质提升的关切和物联网技术的快速发展，为气体传感器带来了巨大的市场需求。本文正是在这种背景之下，在国家自然基金面上项目“基于SWNTs/MOF微结构气味检测芯片的敏感机理基础研究”（项目批准号：51275491）和国防重点实验室某基金的共同资助下，对阵列式电阻变化的微结构气体检测芯片的检测原理、结构设计、制备工艺进行研究，并实现了对敏感物质氧化锌薄膜进行了一系列的特性研究。具体的研究内容有以下几个方面：1、在调研国内外微结构气体传感器的发展态势的基础上，并与工艺可行性相结合，设计了一种阵列式微结构气体检测元件。该元件所采集的信号为五组信号，相较于传统的微结构气体传感器采集一组信号，能够有效的增加数据采集量，避免发生因单个信号不稳定而产生信号漂移情况。2、设计出一种环形加热电极结构，并用有限元ANSYS对其进行热分析，发现其加热性能优于目前常用的蛇形加热电极。研究衬底、加热电极以及隔热层的厚度对整体元件性能的影响，最终确定各个部分的具体参数。3、设计出整套的加工工艺流程。在中科院苏州纳米所加工平台的协助下，完成了所设计的微结构气体检测元件的主要工艺研究，突破了射频溅射ZnO薄膜等关键工艺，最终制备出特性优良的ZnO薄膜，并对其进行退火处理。4、利用膜厚仪，AFM，XRD以及四探针测电阻设备对所制备的氧化锌薄膜进行检测与分析，研究不同生长环境与退火条件下对氧化锌薄膜性能的影响。本文实现了微热板阵列式气体检测元件的设计，为样品的制备提供了一定的理论依据，具有重要的意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 引言  9-10
  1.2 国内外微结构气体检测元件研究现状和发展  10-14
    1.2.1 国外微结构气体传感器的研究现状  11-12
    1.2.2 国内微结构气体传感器的研究现状  12-13
    1.2.3 微结构气体传感器的发展趋势  13-14
  1.3 本论文研究目标和主要内容  14-17
第2章 微热板阵列式气体检测元件的关键技术  17-29
  2.1 金属氧化物半导体材料气敏机理研究  17-18
  2.2 微热板研究  18-19
  2.3 ANSYS 分析中的热分析  19-22
    2.3.1 传热方式类型  19-21
    2.3.2 热分析类型  21
    2.3.3 ANSYS 稳态热分析流程  21-22
  2.4 MEMS 器件加工工艺概述  22-27
    2.4.1 光学曝光  22-23
    2.4.2 刻蚀技术  23-24
    2.4.3 化学气相沉积  24-25
    2.4.4 溅射镀膜  25-27
  2.5 本章小结  27-29
第3章 微热板阵列式气体检测元件的结构设计与仿真  29-39
  3.1 微热板阵列式气体检测元件的整体结构  29-30
  3.2 微热板的设计  30-31
  3.3 各层材料的选定  31-34
  3.4 厚度的确定  34-38
    3.4.1 基底厚度的确定  34-35
    3.4.2 加热电极厚度的确定  35-36
    3.4.3 隔热层的厚度确定  36-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章 微热板阵列式气体检测元件的工艺设计与实现  39-51
  4.1 微热板阵列式气体检测元件的整体工艺设计  39-40
  4.3 微结构气体传感器的制作  40-49
    4.3.1 牺牲层的制作  40-43
    4.3.2 隔热层的制作  43-44
    4.3.3 加热电极的制作  44-46
    4.3.4 绝缘层与测试电极的制作  46-47
    4.3.5 敏感薄膜的制作  47-48
    4.3.6 背腔刻蚀  48-49
  4.4 本章小结  49-51
第5章 ZNO 薄膜实验测试与分析  51-57
  5.1 ZNO 薄膜形貌分析  51-53
    5.1.1 实验装置  51-52
    5.1.2 实验结果及分析  52-53
  5.2 ZNO 薄膜晶体结构分析  53-55
    5.2.1 实验装置  53-54
    5.2.2 实验结果及分析  54-55
  5.3 ZNO 薄膜电学性能分析  55
  5.4 本章小结  55-57
第6章 总结与展望  57-59
  6.1 论文的主要创新点  57
  6.2 工作总结  57-58
  6.3 工作展望  58-59
参考文献  59-63
硕士期间发表的论文及完成的主要工作  63-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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