激光微加工纳米ZNO气敏传感器阵列制备技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘 要 本文利用脉冲 YAG 激光微加工技术，以氧化 Al2O3为基片，开槽填敷 RuO2制作加热器，采用银浆料流延法制备电极膜，浆料滴定覆盖成膜制备了四单元纳米ZnO 气敏阵列，研究了阵列的加热特性、气敏特性及制备工艺的重复性，并着重探讨了电极及气敏膜的厚度对阵列的气敏特性及长期稳定性的影响 激光开槽填敷 RuO2作加热器的气敏传感器阵列具有好的加热特性、热响应、温度分布阵列单元平均能耗低于 500 mW、热响应时间小于 20 秒、平面温度梯度小于 5℃/mm，阵列的灵敏度高、性能稳定、制备工艺重复性好 激光剥离银膜制备气敏电极稳定性、一致性好，电极间距可通过改变激光的离焦量而准确灵活调整平行银电极能均匀拾取气敏膜各部分的气敏反应信息，充分发挥气敏材料的性能 通过模拟使用环境中的热冲击实验，对比不同厚度的银电极膜的形貌，研究发现电极膜厚度及均匀性对电极的稳定性具有决定性的影响7--15μm 厚电极具有更好的长期稳定性， 电极为密网状或薄膜状； 21μm 厚电极成三维多层片状，电极的稳定性最差对此结果进行了初步的理论分析。

对不同材料及不同厚度的气敏膜的敏感性及长期稳定性进行了对比研究，并进行了机理分析，发现在厚膜工艺中气敏膜太薄具有不稳定性，2、3、4 倍厚气敏膜的稳定性较好膜越厚热冲击（即使用过程中）产生的应力越大，裂纹扩展的将越快，气敏膜的稳定期即使用寿命就越短 本文第一部分介绍了微气敏传感器及阵列的制备技术的研究现状，并阐述了本课题的研究目的及意义；第二、三部分分别研究了激光开槽填敷 RuO2加热电阻的制备工艺及特性、气敏电极的制备与可靠性；第四部分探讨纳米 ZnO 气敏传感器阵列的制备及气敏特性； 第五部分深入讨论了电极及敏感膜的厚度对阵列气敏特性和长期稳定性影响 关键词：纳米 ZnO 气敏传感器阵列 激光 电极 气敏膜 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract Gas sensor arrays were manufactured through the pulsed YAG laser micro machining of Al2O3 plates, pasting technique, and the RuO2 heater and the electrodes integrated onto two sides of plates, respectively. Some important characteristics of the integrated sensor arrays, such as the heating properties, the sensitivity and the repetition of the technique, were investigated. Peculiarly, the effect on the integrated sensors arrays sensitivity and stability by the different thick electrode and sensitive film was studied. The buried RuO2 heater by laser micro machining makes the array have good characteristics, such as the heating properties, the heat response and the temperature distribution on the plate and the sensitivity of the integrated gas sensor arrays. The average power consumption per unit at 400℃, the thermal responsive time and the plane temperature distribution gradient are 500 mＷ, 20s and 5℃/mm, respectively. The sensitivity of the different arrays is high, stable, and repeatable. The Ag electrodes, which were fabricated through the laser ablation, are stable and uniform. Laser can adjust the space between the electrodes conveniently. The parallel electrode can equably pick up the information of the gas sensing reaction on the parts. Compared with the change of the different thick electrode appearance after the periodic heat impact from room temperature to 400℃, it shows that the stability of the electrode strongly depends on the thickness and uniformity of the electrode film. The dense network or thin film electrode between 7-15μm have better long-term stability. The electrode upper 21μm, which is three dimension multi-slice, has worse stability. The formation mechanism of this property is discussed. Contrasted the sensitivity and the long-term stability of the sensitive film with 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIIthe different powder size and thickness, and through the mechanism analyzed, the results show that the extreme thin film is not reliable, while the 2, 3 and 4 times thick sensing films are comparatively reliable. Because the thicker the sensing film is, and the stronger the remainder stress becomes, the more rapidly the crack extends, and the shorter the gas sensor natural life is. In the first part of this paper, the gas sensor array and its fabrication in the world had been summarized before the purpose and importance of our research been presented. The second part investigated the fabrication and characteristics of the buried RuO2 heater by laser micro machining, and, the fabrication and reliability of the Ag electrode was researched in the third part. In the fourth part, the fabrication and characteristics of gas sensor array were shown. In the last part, the characteristics and long-term stability of the different thick electrode and sensitive film were discussed. Key words: ZnO nano particle gas sensor array laser electrode thick film 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：柏自奎 日期： 2005 年 4 月 28 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□，在_____年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名：柏自奎 指导教师签名：谢长生 日期：2005 年 4 月 28 日 日期：2005 年 4 月 28 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪 言 1 绪 言 1.1 前 言 1.1 前 言 金属氧化物气体传感器作为“气―电”信息转换器件，实现对气体的检测和生产过程控制，同其它方法相比，具有快速、简便等优点，有广阔的应用前景。

但随着现代工农业及信息技术的发展，人们对气体的检测不再满足于监控和报警，而提出了更高的要求，不仅具有定性判别功能，还要具有定量指示功能如用于空气质量检测，食品、 香精、 香水质量评定及生产过程控制等， 除了高的敏感性， 还需要高的选择性、稳定性而金属氧化物气体传感器本身的高温气敏特性，及实际生产、生活应用中对其快速响应特性的要求又阻碍了它的广泛使用为了解决这一问题，自 20 世纪 60年代以来，人们开发了 SnO2,ZnO,Fe2O3,In2O3等多种材料体系新材料的开发无疑是十分有意义的工作，但气敏材料的气敏性能如何充分发挥出来，则是另一个重要课题——气体传感器的制备技术近年来，器件结构、成膜工艺、新的材料体系等都引起了广泛的关注[1]，也得到了迅速地发展 金属氧化物气敏元件属于表面电阻控制型，即利用表面电阻的变化检测各种有毒、有害及易燃易爆气体的一个理想的气体传感器应有如下特点：（1）选择性好，能够在多种气体共存的情况下仅对目标气体有明显的反应；（2）灵敏度高；（3）稳定性好；（4）低能耗；（5）响应时间短；（6）寿命长；（7）成本低，使用维修方便等尽管如此，但由于气体种类繁多，单个气体传感器对具有相同表面物。