平面旁热式甲烷气敏元件的研制

【摘要】： 目前，气体传感器在生活中的应用越来越广泛，高灵敏度、低功耗、小型化的气体传感器已经成为发展方向。传统的气体敏感元件如陶瓷管旁热式气体敏感元件等，由于工艺问题无法保证元件在输出方面的一致，导致后面的二次仪表难以统一配置。本实验尝试使用了半导体平面工艺制作气敏元件，以解决元件一致性方面的问题，同时要求元件有较好的灵敏度等特性。 元件主要利用溅射、光刻等半导体平面工艺在硅片上制作出其铂薄膜加热电阻，所有加热电阻都在完全相同的工艺条件下制作完成，这样就保证了加热电阻在阻值等方面完全一致，使元件有了具备较好一致性的前提。 甲烷气体通常需要在较高的工作温度下工作，要达到这个工作温度区间，如果元件体电阻越大，功耗就会越大，元件体电阻越小，功耗就会越小，为了降低功耗，需要降低元件体电阻，因此在敏感膜材料中掺杂了一定比例的Sb_2O_3、SnCl_4、SnCl_2、SnO等物质，大大降低了元件的体电阻。 同传统的气敏元件一样，为了得到较高的灵敏度，根据甲烷的特性，要在敏感材料中添加合适的催化剂，如PdCl_2、AuCl_3·HCl等，添加不同浓度的催化剂，会有不同的灵敏度。 实验对不同的掺杂、不同的工艺条件下所制成的元件进行了测试，分析了测试结果，实验结果表明，用半导体平面工艺制作元件加热电阻，再用厚膜工艺制作元件气敏膜，这样制作平面气敏元件的思想是可行的。 文章最后对所研制的气敏元件的气敏机理作了论述。 【关键词】：平面 甲烷 气敏元件
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TP212
【目录】：

• 1 绪论8-14
• 1.1 气体传感器的种类8-9
• 1.2 国内外气体传感器的发展状况9-12
• 1.3 课题的提出及主要解决问题12-14
• 2 元件加热电阻的制备14-20
• 2.1 加热电阻材料、制备工艺的选择14
• 2.2 溅射技术14-15
• 2.3 铂薄膜电阻的制作工艺15-20
• 3 敏感膜材料的选取和制备20-25
• 3.1 SnO_2的特点和制备20-23
• 3.1.1 SnO_2的特点20-21
• 3.1.2 SnO_2的制备21-23
• 3.2 添加剂的选取23-25
• 4 元件的制备25-29
• 4.1 气敏浆料配制25-26
• 4.2 敏感膜涂敷26
• 4.3 敏感膜烧结26
• 4.4 引线焊接26-27
• 4.5 金浆焊点烧结27
• 4.6 本元件和普通旁热式元件的制备工艺比较27-29
• 5 测试结果与分析29-48
• 5.1 元件的测试方法29-30
• 5.1.1 测试电路与装置29
• 5.1.2 测试方法29-30
• 5.2 灵敏度特性30-38
• 5.2.1 灵敏度K的定义30-31
• 5.2.2 灵敏度与催化剂的关系31-35
• 5.2.3 灵敏度与烧结温度、时间的关系35-38
• 5.3 敏感膜的降阻38-42
• 5.3.1 掺杂Sb_2O_3降阻38-39
• 5.3.2 掺杂SnCl_2降阻39-40
• 5.3.3 掺杂SnCl_4降阻40-41
• 5.3.4 掺杂SnO降阻41-42
• 5.4 加热特性42-43
• 5.5 灵敏度与气体浓度的关系43-45
• 5.6 响应恢复特性45-46
• 5.7 气体选择性46-48
• 6 敏感机理分析48-55
• 6.1 SnO_2气体传感器的导电机理48-53
• 6.1.1 基本模型48-49
• 6.1.2 SnO_2半导体气敏元件的工作原理49-52
• 6.1.3 甲烷的敏感机理52-53
• 6.2 改进措施53-55
• 7 结论55-56
• 致谢56-57
• 研究生在读期间已发表的论文57-58
• 参考文献58-61
• 附录一 曲线拟合方法61-64
• 附录二 电镜实验原理64

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