离散半球体电阻式气体传感器的研究

摘要

近二三十年来，我国气体传感器的发展已有一定的基础。但是，仍然有不少煤气泄漏、爆炸、中毒等事件的发生。因此，无论是在工业生产上还是家庭生活中，都必须对气体或空气作出迅速准确的检测并向人们发出危险警报，确保人们生命和财产的安全。
　　 气体传感器技术作为传感器技术的一个重要分支，受到人们的广泛重视，其应用也越来越广泛，人们对它的响应速度的要求也随之提高。为了提高气体传感器的响应速度，本文对其气敏结构进行了优化设计。
　　 本文在分析了半导体薄膜的气敏机理之后，根据提高气体传感器响应速度的措施，提出了一种新型气体传感器敏感结构模型，即在传统连续平面敏感结构的基础上，将连续平面敏感结构的上半部分离散化，使之成为离散半球体阵列结构，而保持下半部分不变，这样该敏感结构就具有了三维敏感效应，从而增加了与气体接触的表面积。因此，在单位时间内到达敏感结构表面的气体分子量便增多，并更有效地与其发生氧化还原反应，引起电导量的快速变化，使气体传感器更快地作出响应。本文应用扩散理论建立半球体的扩散方程，分别分析了新型和传统型两种传感器的响应时间，并进行比较。
　　 仿真结果表明：当传统连续平面敏感结构的厚度H为扩散深度a的两倍，且新型敏感结构的连续平面部分的厚度h和半球体的半径r都等于扩散深度a时，具有离散半球体阵列敏感结构的气体传感器响应时间同传统气体传感器的响应时间相比，缩短了一半以上。
　　 为了更进一步提高传感器的响应速度，对离散半球体阵列敏感结构的连续平面部分的厚度和半球体的半径两个参数进行调整，进一步优化了敏感结构。从仿真结果可以得出，减小新型敏感结构的连续平面部分的厚度h和/或半球体的半径r都可以提高传感器的响应速度，并且当厚度h减小到扩散深度a的1/4，且半径r减小到扩散深度a的1/3时，气体传感器的响应时间性能达到了最佳状态。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景

1.2国内外发展、现状及发展趋势

1.2.1气体传感器的国外发展及现状

1.2.2气体传感器的国内现状

1.2.3气体传感器发展趋势

1.3课题研究内容与论文结构

1.3.1研究内容

1.3.2论文结构安排

第2章气体传感器

2.1传感器基础知识

2.1.1传感器的分类

2.1.2传感器特性

2.1.3传感器的标定

2.2气体传感器的分类与原理

2.2.1非半导体气体传感器

2.2.2半导体气体传感器

2.3半导体气体传感器特性

2.3.1线性度

2.3.2灵敏度

2.3.3选择性

2.3.4响应时间

2.4改善气体传感器性能的措施

2.4.1选择适当的工作温度

2.4.2气敏材料加入添加剂

2.4.3开发新型基体材料

2.4.4优化敏感基体表面结构

2.5本章小结

第3章离散半球体气敏结构设计

3.1薄膜电阻式半导体气体传感器的敏感机理

3.2新型气体传感器的结构设计

3.3气敏结构的制备技术

3.3.1 MEMS技术简介

3.3.2体微加工

3.3.3表面微加工

3.3.4高深宽比微加工技术

3.4本章小结

第4章离散半球体气敏结构性能分析

4.1气体传感器敏感结构响应分析

4.1.1传统连续平面敏感结构

4.1.2表面离散半球体阵列敏感结构

4.2响应时间仿真

4.3离散半球体阵列敏感结构的优化

4.3.1敏感结构厚度对响应时间的影响

4.3.1半球体半径对响应时间的影响

4.4本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文