基于IC工艺的二氧化锡甲醛气体传感器研究

气体传感器的应用

大连理工大学

硕士学位论文

基于IC工艺的二氧化锡甲醛气体传感器研究

姓名：张鹏

申请学位级别：硕士

专业：电路与系统

指导教师：王兢

20081201

气体传感器的应用

摘要

甲醛在工业、医药等日常生活领域被广泛应用，但甲醛气体对人体健康十分有害。在半导体气体传感器的研究中，硅基薄膜型传感器体积小、能耗低，易于构成大规模和多功能阵列，是未来传感器发展的方向。本论文设计了硅基薄膜型甲醛气敏元件的电极结构，研究了溶胶一凝胶（ｓ０１．ｇｅｌ）法在硅基上制备Ｓｎ０２薄膜的工艺条件，制成了Ｐｄ掺杂Ｓｎ０２／Ｐｔ／Ｓｉ０２／Ｓｉ结构甲醛气敏元件，测试了元件对气体的响应，分析了掺杂提高元件响应的原因，用ＢＰ神经网络的方法解决了元件对混合气体的选择性问题。

用ＡＮＳＹＳ仿真软件得到优化了的中部窄、外部宽的气体传感器电极结构。采用平面工艺经过氧化、光刻、溅射、剥离等步骤在硅衬底上制作了Ｐｔ电极。采用溶胶一凝胶（ｓ０１．ｇｅｌ）法在Ｓｉ衬底上制备了Ｓｎ０２薄膜。经过大量实验找到配制溶胶、旋涂匀胶、前烘、退火等工艺的最佳条件。通过热重．差热分析、台阶仪、扫描电镜、原子力显微镜、Ｘ射线衍射等方法对薄膜进行了表征。

制作了掺杂Ｐｄ的Ｓｎ０２／Ｐｔ／Ｓｉ０２／Ｓｉ结构甲醛气敏元件。元件在工作温度为２３０。Ｃ时可以获得对甲醛气体的最高响应。实验表明，元件的响应随甲醛气体浓度的增大而增大，元件的响应时间和恢复时间均约为５０ｓ。通过在Ｓｎ０２薄膜掺杂ｌａｔ．％Ｐｄ使气敏元件对低浓度甲醛的检测能力大大提高。１ａｔ．％Ｐｄ掺杂的Ｓｎ０２／Ｐｔ／Ｓｉ０２／Ｓｉ薄膜元件对甲醛气体的最低检测浓度为Ｏ．０５ｐｐｍ。掺杂前后Ｓｎ０２敏感膜的Ｏ１ｓ的光电子谱（ＸＰＳ）表明，在掺杂１ａｔ．％Ｐｄ的Ｓｎ０２薄膜表面，吸附氧与晶格氧的比值大大增加，表面反应活性位也相应增加，从而有利于还原性气体，如甲醛与表面吸附氧的反应，提高了掺杂后Ｓｎ０２薄膜气敏元件对甲醛的响应。测试了元件对干扰气体乙醇等的响应，从理论角度对元件选择性不理想的原因进行了分析。

针对甲醛的主要干扰气体乙醇，采用ＢＰ神经网络的方法解决了传感器对混合气体的选择性问题。网络为３层，输入层４个节点，隐层１３个节点，输出层２个节点。使用训练过的ＢＰ网络对一些保留样本进行预测，结果表明，使用这种方法可以分析出甲醛、乙醇两种混合气体中各气体的成分和浓度。关键词：Ｓｎ０：薄膜；甲醛气敏元件；溶胶凝胶；ＩＣ工艺

气体传感器的应用

ＳｔｕｄｙｏｆＳｎ０２ＦｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅＧａｓＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＩＣＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅｗａｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ．ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌａｎｄｏｔｈｅｒａｒｅａｓ

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