新型MEMS和NEMS有机气体传感器的研究

摘要

挥发性有机物(Volatile organic compounds，VOC)给人类健康和生态环境带来严重的危害，长期暴露在VOC气体中会引起多种疾病，如呼吸道疾病、眼角膜疾病、神经性疾病、癌症、甚至造成死亡。此外，挥发性有机气体如乙醇、甲醇、汽油等蒸汽与空气混合会形成可爆炸的混合气体，碰到热源或明火有燃烧爆炸的危险，然而这些气体却广泛的存在于石油、化工、燃气、冶金等场所。因此，快速和准确地检测出环境中有机气体的浓度对保护人类的健康和安全具有重要的意义。本文基于聚合物的溶胀效应制备了新型MEMS(Microelectromechanical Systems)和NEMS(NanoelectromechanicalSystems)压阻式有机气体传感器，用于有机气体浓度的检测。本论文的主要研究工作如下:
　　1.基于聚合物薄膜的溶胀效应研究了一种新型的MEMS压阻式有机气体传感器，分析了该类有机气体传感器的结构，探讨了传感器的敏感机理，讨论了低气体压力下聚合物敏感膜对目标气体的吸附溶胀特性，研究了聚合物敏感膜参数、MEMS薄膜参数和传感器供电电压对气体传感器输出性能的影响，为制备此类有机气体传感器提供理论指导依据。
　　2.基于硅橡胶敏感薄膜实现了新型MEMS有机气体传感器，研究了其对苯蒸气的响应特性;基于环氧丙烯酸酯敏感薄膜制备的MEMS有机气体传感器，实现了对乙醇、甲醇和甲醛等气体的检测。通过实验分别研究了这些气体传感器对不同有机气体的响应特性，如检测灵敏度、线性度、重复性和稳定性。同时通过实验研究了环境温湿度及聚合物敏感膜的参数设置对该类传感器输出性能的影响。此类有机气体传感器可以在常温下工作、具有结构简单、体积小、无加热元件、功耗小、成本低、与CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)工艺兼容、易于和信号处理电路集成等特点。
　　3.为了提高新型MEMS有机气体传感器的性能，本文基于硅纳米线(SiNWs)的巨压阻效应和超低的功耗，采用同CMOS工艺兼容的自上而下的方法，将p型硅纳米线嵌入NEMS薄膜中作为压敏检测元件，用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)为敏感薄膜制备了基于硅纳米线的NEMS有机气体传感器，实现了对氯仿气体的检测。试验结果表明，与MEMS有机气体传感器相比，该传感器具有更小的体积、更高的检测灵敏度、更低的工作电压和更低的功耗。
　　4.为进一步优化基于硅纳米线的NEMS有机气体传感器的性能，运用有限元方法分析并优化了p型硅纳米线的设置位置，通过实验优化了p型硅纳米线的掺杂浓度和NEMS薄膜介电层的设计参数;同时提出采用聚合物的热膨胀来模拟聚合物吸附气体的溶胀过程，以此为基础在有限元模型中分析了传感器敏感膜的溶胀应变及其与NEMS薄膜相互作用的过程，得到该有机气体传感器对气体响应的仿真输出，通过仿真优化了该气体传感器敏感薄膜的设计参数，为下一步制备具有更优输出性能的NEMS有机气体传感器提供了参考依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 挥发性有机气体的危害及检测意义

1．2 有机气体传感器的国内外研究概况

1．2．1 非接触式有机气体传感器

1．2．2 接触式有机气体传感器

1．2．3 有机气体传感器总结

1．3 论文研究的主要内容

第2章 基于MEMS薄膜的新型压阻式有机气体传感器的基础理论

2．1 新型MEMS压阻式有机气体传感器的结构

2．2 新型MEMS压阻式有机气体传感器工作原理

2．2．1 气体的吸附和解附

2．2．2 低气体压力下吸附的特性

2．2．3 低气体压力下聚合物的膨胀变形

2．2．4 硅的压阻效应

2．2．5 新型MEMS有机气体传感器的检测电路

2．2．6 新型MEMS有机气体传感器的输出

2．3 新型MEMS有机气体传感器的设计

2．3．1 聚合物敏感膜厚度参数的设计

2．3．2 传感器敏感膜的选择

2．3．3 传感器供电电压的设置

2．4 本章小结

第3章 基于MEMS薄膜的新型压阻式有机气体传感器的实验研究

3．1 基于硅橡胶敏感膜的新型MEMS有机气体传感器

3．1．1 新型MEMS有机气体传感器的制备

3．1．2 实验设备及测试系统

3．1．3 新型MEMS有机气体传感器的输出特性

3．1．4 硅橡胶敏感膜参数对传感器输出的影响

3．1．5 环境温湿度对传感器输出的影响

3．2 基于环氧丙烯酸酯的MEMS有机气体传感器

3．2．1 基于环氧丙烯酸酯的MEMS有机气体传感器的制备

3．2．2 基于环氧丙烯酸酯的MEMS有机气体传感器的输出特性

3．2．3 湿度对基于环氧丙烯酸酯的MEMS有机气体传感器的影响

3．3 本章小结

第4章 基于硅纳米线的NEMS有机气体传感器的实验研究

4．1 硅纳米线的制备及应用

4．2 基于硅纳米线的NEMS有机气体传感器的制备及测试

4．2．1 NEMS有机气体传感器的制备

4．2．2 NEMS有机气体传感器的输出特性

4．3 NEMS有机气体传感器和MEMS有机气体传感器性能比较

4．4 本章小结

第5章 基于硅纳米线的NEMS有机气体传感器的仿真和优化

5．1 NEMS薄膜结构的优化

5．1．1 NEMS薄膜结构的有限元模型

5．1．2 p型硅纳米线设置位置的优化

5．1．3 p型硅纳米线掺杂浓度的优化

5．1．4 NEMS薄膜介电层的优化

5．2 NEMS有机气体传感器敏感膜的优化

5．2．1 等效温度载荷和气体浓度载荷的等效关系式

5．2．2 NEMS有机气体传感器的有限元模型

5．2．3 NEMS气体传感器的仿真输出

5．2．4 NEMS有机气体传感器敏感薄膜设计参数的优化

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果