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摘 要：利用MEMS技術(shù)將化學(xué)生長(zhǎng)的Al2O3模板加工成傳感器的微懸梁結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于催化燃燒式氣體傳感器的基底。采用平面薄膜工藝制作出鉑薄膜電阻器，涂敷Al2O3-SnO2-Ti02-Pd和Al2O3-SnO2-Ti02-Pt乙炔傳感器，形成催化敏感橋臂和溫濕度補(bǔ)償橋臂乙炔傳感器，從而制作出乙炔傳感器。測(cè)試結(jié)果表明：傳感器可實(shí)現(xiàn)乙炔濃度為0～15000×10-6的檢測(cè)氨氣報(bào)警器，具有線性輸出特性，同時(shí)對(duì)乙炔傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：微懸梁;Al2O3膜板;催化燃燒;乙炔傳感器

0 引言

乙炔是一種易燃易爆氣體，其爆炸下限很低[1](15000×10-6)，尤其是在運(yùn)輸期間，一旦發(fā)生爆炸，立刻產(chǎn)生人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。國家針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品安全出臺(tái)了相關(guān)法規(guī)[2]，根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸[3]的特殊性，進(jìn)行了面向安全監(jiān)測(cè)與跟蹤的網(wǎng)絡(luò)化微系統(tǒng)研究，包括對(duì)乙炔氣體的檢測(cè)。

采用非硅基MEMS技術(shù)制作微氣體傳感器是國外20世紀(jì)90年代的研究熱點(diǎn)，材料范圍主要包括陶瓷、玻璃、有機(jī)聚合物及其復(fù)合材料。由于采用MEMS技術(shù)、納米技術(shù)、半導(dǎo)體工藝及平面薄膜工藝等新技術(shù)、新工藝，產(chǎn)品具有批量化、低成本、一致性好、可靠性高的特點(diǎn)乙炔傳感器，這是半導(dǎo)體燒結(jié)式、厚膜式、接觸燃燒式及電化學(xué)式等傳感器所無可比擬的，具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。

本文借鑒了微橋細(xì)絲的設(shè)計(jì)理念[4]，研制了一種微懸梁結(jié)構(gòu)的催化燃燒式乙炔傳感器。

1 工作機(jī)理

在通電狀態(tài)下，可燃?xì)怏w在催化劑作用下氨氣報(bào)警器，在敏感材料(如鉑膜)表面燃燒而引起敏感材料電阻阻值改變。通過標(biāo)定，建立起敏感電阻的變化量與被測(cè)氣體濃度變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而檢測(cè)被測(cè)氣體濃度。

微懸梁結(jié)構(gòu)的催化燃燒式乙炔傳感器由敏感橋臂和補(bǔ)償橋臂組成，在兩個(gè)橋臂上制作了等阻值的一對(duì)鉑薄膜電阻，采用納米γ-Al2O3陶瓷粉體作為催化劑載體，鉑和鈀作為催化劑，并將敏感電阻與補(bǔ)償電阻構(gòu)成惠斯頓電橋，利用其輸出與乙炔濃度存在定量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)乙炔的檢測(cè)[5]。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 氧化錫(SnO2)的制備

納米結(jié)構(gòu)的氧化錫由于其在電子學(xué)、光學(xué)和光子學(xué)方面的卓越性質(zhì)已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。SnO2的化學(xué)制備有多種方法，有化學(xué)沉淀一步法、化學(xué)沉淀熱分解二步法、水熱法、微乳化法、溶膠-凝膠法、噴霧熱解法、固相法等[6]。本文采用溶膠-凝膠法制備SnO2。

以 SnCl4·5H2O 為原料，以氨水作為沉淀劑。待沉淀完全，洗滌、離心，直至沉淀中的氯離子洗凈為止。將沉淀物烘干，研磨、燒結(jié)，得到SnO2敏感材料。

SnCl4 + 4NH3·H2O = Sn(OH)4↓ + 4NH4Cl

Sn(OH)4 = SnO2 + 2H2O

2.2 乙炔傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為乙炔傳感器敏感芯片的設(shè)計(jì)圖。乙炔傳感器的結(jié)構(gòu)包括有催化劑的敏感橋臂和無催化劑的補(bǔ)償橋臂，橋臂結(jié)構(gòu)尺寸為×，厚度為80～90μm。

2.3 微懸梁結(jié)構(gòu)制作

微懸梁結(jié)構(gòu)的制作基于MEMS技術(shù)，采用電化學(xué)方法制作100μm的Al2O3膜板，利用光刻及濕法刻蝕工藝制作出微結(jié)構(gòu)，高溫處理后形成穩(wěn)定的Al2O3微懸梁結(jié)構(gòu)。

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