硅基微热板及SnO2气敏薄膜的测试与分析

摘要

金属氧化物半导体气体传感器自出现以来，受到了广泛的关注与研究。该类传感器为了获得足够的气体灵敏度，通常需要工作在200～450℃高温条件下，因此一般由加热器和气敏材料两部分组成。该类型传感器已经广泛应用于工业检测、环境保护等领域。
　　近年来，微热板因其功耗低、热响应速度快、可集成等优点，成为气体传感器的加热器的首选。本论文首先对课题组加工的微热板的功耗、温度分布、热响应、热膨胀及热应力进行有限元仿真，并实验测量了微热板的功耗、热响应和气压对加热电阻影响;其次，采用射频磁控溅射法制备了厚度分别为150nm、250nm、350nm的SnO2气敏薄膜，并利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测量了不同厚度SnO2薄膜的表面形貌，利用能谱仪(EDS)分析了薄膜表面的元素组成;最后，采用静态配气法，测量了溅射有不同厚度SnO2薄膜的微热板式气体传感器对苯、甲醇、乙醇和丙酮四种气体的响应，关注了传感器的响应时间、恢复时间、最佳工作温度、灵敏度与气体浓度关系，以及SnO2薄膜厚度对它们的影响。
　　仿真结果表明，正面体加工型微热板式气体传感器加热到300℃只需要26mW，热响应时间仅为7ms，这与测量结果一致;并且温度分布梯度热膨胀形变小。SEM图片显示溅射法制备的SnO2薄膜具有光滑致密的表面形貌。气敏测试结果表明，SnO2薄膜越厚，响应时间越长，而恢复时间则无明显规律;SnO2薄膜厚度为250nm的传感器灵敏度最高，最佳工作温度较低，对气体浓度敏感性较好。