摘要
气体传感器在工业生产、航天航空、环境监测、食品安全和健康医疗领域有着诸多运用。随着物联网技术的逐渐发展，气体传感器的应用逐渐走进了民用消费领域，尤其是在可穿戴式设备和消费电子等的智能化应用，大大拓展了其使用场景。伴随着人工智能的深入发展，其在嗅觉实现上也给了人们更多的想象空间。因此研究和开发出更小、更低功耗和更高集成的气体传感器以实现在便携式设备和气味识别等领域的应用具有十分重要的意义。微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)金属氧化物(Metaloxide，MOx)气体传感器具有小尺寸、低功耗、高灵敏度、便于集成制造和易于IC电路兼容等优势，在智能化设备中具有巨大的应用潜力。本论文基于MEMS技术设计制造了新颖的梁式结构的低功耗MOx气体传感器。提出了一种便于批量化制造的低功耗翘曲单悬梁式气体传感器，并在此基础上实现了一种T形结构的多通道梁式气体传感器阵列，其在超低的功耗下一定程度上实现了三种气体的区分，具体的研究内容如下: 设计和制造了一种具有低功耗的翘曲单悬梁式气体传感器。传感器的主体由硅衬底和一根细长的悬臂梁组成，悬梁上仅有一根无绕线的金属铂加热丝和一对铂检测电极，传感材料位于悬梁的自由端，区域大小仅为2μm×2μm。悬梁结构利用材料应力不同的氮化硅和氧化硅制作丽成，通过控制它们的厚度比例最终实现悬梁的翘曲结构，使得气敏材料能够批量的加载在有源区。整体制造过程采用标准的MEMS工艺，12个传感器被制造在1mm2的芯片面积内，性能测试显示了传感器在5mW下能达到400℃的工作温度，加热器的热响应时间仅为300μs，且对0-350ppm乙醇的有着良好的线性响应。该传感器最终实现了极低的功耗、较高的集成和能与MEMS工艺兼容的批量化加载气敏材料的优异性能。 基于单悬梁结构提出了一种三端固连的T形悬梁式气体传感器阵列。单根直线形加热丝位于横梁上，并利用其上的温度梯度分布，在梁上设置了对称的四个检测端口，从而实现了一个具有多通道实时检测能力的集成式传感器阵列。它不仅利用了悬梁结构的温度梯度分布降低了传感器的平均功耗，还利用气体传感器响应的温度敏感性，实现了一定的气体区分。使用有限元分析软件分析出了检测端口的合理放置位置，利用标准的MEMS工艺制作了微热平台，并通过磁控溅射工艺实现了气敏材料的兼容性制造。性能测试显示传感器不仅可以在3.43mW的平均功耗下实现四通道的NH3、NO2、CO的实时监测，并且可以通过输入电压的改变，实现上述三种气体的区分，这无疑为实现气体识别提供了一个新的思路。
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