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多孔硅基氧化钨气敏传感器的研究

作　者: 孙鹏
导　师: 胡明
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 介孔硅 大孔硅 多孔硅基氧化钨气敏传感器 气敏特性
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着工业和日常生活向空气中排放的污染气体越来越多,新型高性能低功耗的气敏传感器越来越受到人们的关注。本文主要针对多孔硅基氧化钨气敏薄膜以及传感器的电学特性和气敏特性进行了研究。首先,通过双槽电化学腐蚀法制备介孔硅基底。选取40,60和80mA/cm2三种腐蚀电流密度,得到不同孔隙结构参数的介孔硅样品,对样品进行了孔隙率、SEM、I-V特性等各种测试,分析了介孔硅的材料参数、微观形貌和电学特性等。用静态配气法对一定浓度的NH3、C2H5OH和NO2进行了气敏特性测试。结果显示:腐蚀电流密度为80mA/cm2的介孔硅样品具有较好的气敏特性。随后,在制备的介孔硅基底上溅射氧化钨薄膜以及Pt电极,形成介孔硅基氧化钨薄膜气敏传感器。通过对氧化钨薄膜溅射时间的选取,得到不同膜厚的样品,对样品进行了SEM、阻温特性等各种测试,分析了介孔硅基氧化钨薄膜的材料参数、微观形貌和电学特性等。用静态配气法对一定浓度的NH3和NO2进行了气敏特性测试。研究表明:溅射氧化钨薄膜的时间为5分钟的样品具有较好的气敏特性。虽然器件在常温下具有较高的灵敏度,但器件的响应较慢,迫切需求制备一种大孔硅基底,以制备更高性能的大孔硅基氧化钨薄膜气敏传感器。最后,实验提出了大孔硅的制备方法,并对大孔硅的表面形貌,腐蚀深度,孔隙率和气敏特性进行了测试,并且测试了大孔硅基氧化钨气敏薄传感器的气敏特性,为下一步制备更高性能的多孔硅基氧化钨气敏传感器奠定了基础。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-19
  1.1 气敏传感器的定义以及分类  9-11
  1.2 电阻式气敏传感器的主要特性参数  11-13
  1.3 WO_3 薄膜晶体结构以及国内外WO_3 薄膜气敏传感器的研究与发展概况  13-15
    1.3.1 WO_3薄膜晶体结构  13-14
    1.3.2 国内外WO_3薄膜气敏传感器的研究与发展概况  14-15
  1.4 多孔硅技术及国内外多孔硅气敏传感器研究概况  15-17
    1.4.1 多孔硅的分类  15-17
    1.4.2 多孔硅气敏性能的研究现状  17
  1.5 项目背景  17-19
第二章 理论知识  19-34
  2.1 多孔硅的制备方法  19-21
    2.1.1 化学腐蚀法  19-20
    2.1.2 双槽电化学腐蚀法  20-21
  2.2 多孔硅形成机理  21-23
    2.2.1 扩散限制（DLA）模型  21
    2.2.2 Beale模型  21-22
    2.2.3 量子限制模型  22-23
  2.3 多孔硅气敏传感器工作原理  23-25
    2.3.1 介孔硅的气敏特性机理  23-24
    2.3.2 大孔硅的气敏特性机理  24-25
  2.4 WO_3 薄膜的气敏工作机理  25
  2.5 薄膜的形成与生长  25-28
    2.5.1 薄膜的形成与生长  25-27
    2.5.2 溅射薄膜的形成过程  27
    2.5.3 对向靶磁控溅射镀膜法  27-28
  2.6 金属与半导体的欧姆接触  28-31
    2.6.1 金属与半导体的功函数  28-30
    2.6.2 肖特基接触  30
    2.6.3 欧姆接触  30-31
  2.7 薄膜成分、晶体结构和表面形貌的分析  31-34
    2.7.1 光电子能谱法（XPS）成分分析  31-32
    2.7.2 X射线衍射法（XRD）晶体结构分析  32
    2.7.3 扫描电子显微镜（SEM）薄膜表面形貌分析  32
    2.7.4 原子力显微镜（AFM）分析  32-34
第三章 介孔硅气敏元件的制备，表面形貌，电学性能以及气敏性能分析  34-49
  3.1 多孔硅敏感层的制备  34-35
    3.1.1 硅片的清洗  34
    3.1.2 腐蚀多孔硅敏感层  34-35
  3.2 溅射形成薄膜电极  35-37
  3.3 气敏传感器所需不同微结构介孔硅材料孔隙率测试及形貌分析  37-39
    3.3.1 孔隙率测量实验  37-38
    3.3.2 介孔硅表面形貌分析  38-39
  3.4 介孔硅的I-V特性研究  39-40
  3.5 介孔硅的气敏特性研究  40-48
    3.5.1 气体浓度测量范围选择  40-41
    3.5.2 介孔硅的气敏特性测试与结果分析  41-48
  3.5 小节  48-49
第四章 介孔硅基氧化钨薄膜气敏传感器性能研究  49-73
  4.1 介孔硅基底WO_3 基薄膜气敏微传感器的制备  49-52
    4.1.1 介孔硅基底的制备  49
    4.1.2 氧化钨薄膜的淀积  49-51
    4.1.3 金属Pt电极的淀积  51
    4.1.4 热处理工艺  51-52
  4.2 介孔硅基底WO_3 薄膜的表面形貌分析  52-54
  4.3 介孔硅基底氧化钨薄膜的电学特性  54-55
  4.4 介孔硅基底氧化钨薄膜的气敏特性  55-71
    4.4.1 介孔硅基底氧化钨薄膜在低温（室温和500C）下的气敏特性  56-63
    4.4.2 介孔硅基底氧化钨薄膜在高温（1000C，1500C和2000C）下的气敏特性  63-71
  4.5 本章小结  71-73
第五章 大孔硅的制备，表面形貌以及气敏特性的初步研究  73-88
  5.1 大孔硅制备的理论依据  73-74
  5.2 大孔硅的制备  74-75
    5.2.1 硅片的准备  74-75
    5.2.2 硅片的清洗  75
    5.2.3 制备方法和装置  75
    5.2.4 腐蚀大孔硅敏感层  75
  5.3 大孔硅的孔隙率分析  75-76
  5.4 大孔硅的表面形貌分析  76-80
  5.5 大孔硅的腐蚀深度测量  80-81
  5.5 大孔硅基氧化钨气敏薄膜的气敏特性  81-87
    5.5.1 大孔硅基氧化钨气敏薄膜对NH3的气敏特性  81-84
    5.5.2 大孔硅基氧化钨气敏薄膜对N02的气敏特性  84-87
  5.6 本章小结  87-88
第六章 结论与展望  88-90
参考文献  90-95
发表论文和参加科研情况说明  95-96
致谢  96

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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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