基于一维纳米电极的场致分子电离MEMS气体传感器应用基础研究

摘要

作为片上气体分析系统的一个全新技术方案，利用基于一维纳米电极的场致等离子体器件实现气体传感，近年来成为国际上的研究热点.该领域目前亟待解决的关键问题是：1)一维纳电极中气体放电现象的基本规律和基本理论问题；2)实现此类器件微型化集成制造中的技术问题；3)能够充分发挥其检测原理优势的器件结构设计与检测方法设计中的技术问题。本论文对以上问题进行了系统研究，将一维纳米材料与MEMS技术相结合，提出“基于一维纳米电极的场致分子电离(One-DimensionalNanoElectrodebasedField-inducedIonization，OEFI)MEMS器件”，创新性地设计、制造并检测了OEFI-MEMS生化敏感器件原型，用于气体传感器和呼吸传感器。 ·基础研究 论文首先在Paschen定律的框架内，对一维纳米电极中气体放电现象的全伏安特性进行了系统研究。得出结论认为：一维纳米电极气体放电分为两个阶段，即局部放电和间隙的击穿，而间隙的击穿有两种类型：一种是过临界电压瞬态击穿，一种是亚临界电压长时间累积击穿，后一种击穿可能是一维电极系统气体放电的特异现象，反映了一维纳米电极系统中纳极化的特异性。同时，在Paschen关系的框架内，一维电极气体放电间隙击穿临界电压的主要影响因素为：气压、气体种类、电极间隙的尺度、一维电极的极性和一维电极表面情况。论文还系统表征了一维电极系统气体放电的发光现象。 论文在基础实验研究的基础上，提出径向均匀纳极化假设，用极化带模型描述一维纳米电极间隙内介电空间的电场分布。基于极化带模型，对Townsend模型和Streamer模型进行了修正，此外，建立了一维电极气体放电现象的正、负极化带的累积放电假设和累积击穿模型，模型的计算结果与实验结果的差别在合理范围内，从理论上研究了一维纳米电极在气体放电中的关键效应-径向均匀极化效应与纳极化效应。基于极化带模型，研究了一维纳米电极结构因素对间隙击穿的影响，直接用于指导器件的设计. 基础研究证明：一维纳米电极气体放电的最本质特征来源于一维纳米电极对介电空间电场分布的径向均匀纳极化效应。 ·应用研究 本论文首先对MEMS加工与一维纳米材料膜制备的工艺集成(MEMSprocessingandOne-dimensionalnanomaterialfilmpreperationIntegration，MOI)中的关键技术问题进行了研究，针对碳纳米管，开发出基于RIE的、适用于侧壁式微纳电极系统的MOI工艺流程，以及基于金属微电铸和体硅加工的、适用于微室式微纳电极系统的MOI工艺流程。 其次，除研究了文献中已有的临界电压和局部自持放电电流两种气敏电学量以外，本论文拓展了此类器件的检测目标，实现了离子电流的气敏检测。临界电压和局部自持放电电流之所以可以实现气敏传感，是由于气体放电过程中临界电压的高低和局部放电电流的大小，与气体中的中性粒子与带电粒子非弹性碰撞截面的统计平均值有着直接的关系，因此，在微量混合气体检测中，这两者的气敏性通常难以提高。但是，如果利用放电产生的离子电流进行气敏检测，其具有的质谱特性会显著提高OEFI-MEMS气体传感器在微量混合气体检测中的敏感性和选择性。 最后，设计并实现了多种结构的OEFI-MEMS气体传感器原型，系统研究了不同结构、不同检测模式下器件的性能特征。通过实验研究发现，根据传感器应用情景的不同，各种结构的器件、不同的检测模式各有所长，可以互相配合、取长补短，根据这一现象，本论文提出“协同”检测的概念，并设计出三极式MEMS微纳电极系统，可以使临界电压、局部自持放电电流和离子电流的气敏检测在一个器件上实现。 将本文的研究结论综合起来，可以得到一个清晰的有关一维电极系统气体放电过程及其电学表征的物理图景，这个物理图景基于一维电极气体放电的极化带理论模型，求证于系统的基础实验研究和基础理论研究，应用于OEFI-MEMS器件的设计、制造和检测，最后用坚实的实验数据证明：OEFI-MEMS器件是一种很有发展潜力的MEMS器件，有可能成为MEMS的一个新的研究方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节概念与研究背景

1.1.1 OEFI-MEMS气体传感器的概念

1.1.2一维电极系统场致等离子体过程的学科背景

1.1.3 OEFI-MEMS生化气体传感器的工作原理

1.1.4 OEFI-MEMS生化气体传感器的性能特征

第二节该领域相关内容的研究现状

1.2.1基础实验研究现状

1.2.2基础理论研究现状——气体放电经典理论评述

1.2.3器件设计、制造与检测研究现状

第三节本论文的主要研究内容及研究意义

1.3.1本论文的研究内容

1.3.2本论文的理论研究意义

1.3.3本论文研究内容的应用前景

第二章一维纳米电极系统气体放电基础实验研究

第一节实验装置和实验方法

2.1.1实验装置设计

2.1.2实验方法

2.1.3误差来源分析

第二节一维纳电极系统中气体放电的基本现象

2.2.1放电过程中的全伏安曲线与放电阶段、临界电压的界定

2.2.2一维电极系统中的Paschen关系——尺度效应和密度效应

2.2.3放电过程对一维纳电极膜表面形貌的敏感性

基础实验研究结论

第三章一维纳米电极系统气体放电基础理论研究

第一节极化带的基本电场特性的数值方法研究

3.1.1单个无规则排布的一维电极极化电场的数值计算

3.1.2计算结果在一维电极阵列中的扩展

第二节基于极化带的一维电极气体放电理论

3.2.1一维电极气体放电的极化带模型

3.2.2极化带在放电过程中的效应与一维电极击穿机制

3.2.3累积击穿机制若干重要专题

第三节极化带击穿模型的求解

3.3.1 Paschen最低点附近的瞬态击穿

3.3.2高密度气体中的瞬态击穿

3.3.3正极化条件下的累积击穿

3.3.4负极化条件下的累积击穿

基础理论研究结论

第四章OEFI-MEMS器件的设计、制造与检测研究

第一节基于临界值检测的OEFI-MEMS气体传感器

4.1.1工作模式和设计目标

4.1.2结构设计

4.1.3工艺研发与器件制造

4.1.4检测平台与方法

4.1.5检测结果与讨论

第二节基于局部自持放电电流和正离子电流检测的OEFI-MEMS器件

4.2.1局部自持放电电流气敏特性的直接检测

4.2.2基于间接检测法的MFEF-MEMS器件

第三节微纳静电流体OEFI-MEMS呼吸传感器

4.3.1器件结构与制造工艺

4.3.2检测平台与检测方法

4.3.3器件检测结果与讨论

本章总结

第五章结论与展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文和专利