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基于叉指电极的MEMS环境监测传感器关键技术研究

作　者: 张琳
导　师: 朱润良
学　校: 湘潭大学
专　业: 环境工程
关键词: MEMS 叉指电极 环境监测 生化传感器 设计制造
分类号: X85
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


MEMS传感器以其结构简单、稳定性好、可靠性高、成本低等优点，成为环境监测中检测气体、水体环境中生物化学物质的一种较为常用的生物化学传感器，逐渐成为环境监测领域的研究热点。本文以一种基于叉指电极结构的MEMS生物化学传感器为研究对象，对其工作原理介绍、结构优化、制作工艺、测试应用方面进行了系统的研究，具体内容如下：1．介绍了叉指电极传感器的工作原理。针对其环境监测中低浓度生物化学物质难以检测的问题，提供了一种基于叉指电极结构的MEMS生物化学传感器。着重研究叉指电极结构的电阻模型和设计参数，通过优化仿真分析得到设计参数对叉指电极传感器的影响规律，从而对叉指电极传感器的性能进行优化。2．通过综合分析微机电的各种微加工方法，选择湿法腐蚀工艺作为叉指电极微结构的制造方法并设计了整个工艺方案。重点研究了镀制铬/金电极金属层、湿法腐蚀叉指电极微结构等工艺，对比分析了工艺参数对加工质量的影响规律，通过优化确定了各工艺环节的参数，最后经过工艺实验完成了叉指电极微结构的制作。3．完成了叉指电极气体传感器的设计与制作。对电极结构的选择、工艺流程的编制、气敏材料的制备、传感器版图的绘制进行了系统的研究，完成了叉指电极气体传感器的制作，并进行了初步的测试，验证了叉指电极气体传感器的实用性。4．完成了叉指电极大肠杆菌传感器的设计与制作。提出了一种基于叉指电极的大肠杆菌生物传感器，采用生物修饰技术在传感器表面修饰大肠杆菌，通过化学还原反应在叉指电极的微间隙间沉积银单质，从而实现在水体环境中的大肠杆菌的检测。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 引言  8-16
  1.1 问题的提出  8-9
  1.2 选题背景及意义  9-11
  1.3 文献综述  11-14
    1.3.1 国外研究现状  11-13
    1.3.2 国内研究现状  13
    1.3.3 发展趋势和动态  13-14
  1.4 研究方法  14
  1.5 论文结构安排  14-16
第2章 叉指电极传感器的基本原理与参数设计  16-25
  2.1 基本原理介绍  16-18
    2.1.1 叉指电极传感器工作原理  16
    2.1.2 电极结构选择  16-18
  2.2 叉指电极间电阻模型简化计算  18-24
    2.2.1 考虑叉指端部尖角影响下的简化计算  18-20
    2.2.2 不考虑端部尖角部分影响下的简化计算  20-21
    2.2.3 两种阻值计算算法的比较  21-24
  2.3 叉指电极传感器结构参数的影响分析  24
  2.4 本章小结  24-25
第3章 叉指电极结构的加工工艺流程  25-35
  3.1 叉指电极结构的工艺流程方案设计  25-27
    3.1.1 叉指电极基底材料的选择  25-26
    3.1.2 叉指电极结构的制备工艺流程设计  26-27
  3.2 叉指电极传感器的加工工艺  27-34
    3.2.1 衬底选料与清洗  27-28
    3.2.2 镀制叉指电极金属层  28-32
    3.2.3 紫外光刻  32-33
    3.2.4 湿法腐蚀  33-34
  3.3 叉指电极结构的表征  34
  3.4 本章小结  34-35
第4章 叉指电极传感器在气体监测中的应用  35-52
  4.1 基本原理介绍  35-42
    4.1.1 电阻式半导体气体传感器的作用原理  36-39
    4.1.2 基于 MEMS 技术的气体微传感器  39-41
    4.1.3 掺杂二氧化锡薄膜传感器的机理  41-42
  4.2 气体传感器的设计与制备  42-49
    4.2.1 气体传感器结构的设计  42-44
    4.2.2 气体敏感材料的制备  44-45
    4.2.3 气体传感器的制备  45-46
    4.2.4 掩模板图形  46-49
  4.3 叉指电极气体传感器及测试  49-51
  4.4 本章小结  51-52
第5章 叉指电极传感器在水体环境监测中的应用  52-58
  5.1 水体环境监测应用  52-53
  5.2 大肠杆菌传感器的制备  53-55
    5.2.1 试剂和材料  53-54
    5.2.2 大肠杆菌生物传感器的制备  54
    5.2.3 大肠杆菌生物传感器的分析检测  54-55
  5.3 大肠杆菌传感器的检测  55-57
    5.3.1 大肠杆菌传感器的检测原理  55
    5.3.2 叉指电极传感器的检测效果  55-57
  5.4 本章小结  57-58
第6章 总结与展望  58-60
  6.1 全文总结  58
  6.2 工作展望  58-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  64

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境质量评价与环境监测 > 环境监测仪器设备
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