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面向能耗低、恢复快的微纳结构传感器的制备与特性研究

俞伟伟  
【摘要】:半导体电阻型气敏传感器是通过金属氧化物纳米结构吸附并离子化氧气分子,通过氧化还原反应过程实现目标分子的检测。通常离子化的过程在200~400℃的工作温度下进行。如何降低金属氧化物的气敏传感器的工作温度成为近年的重要研究目标。然而金属氧化物型气敏传感器工作温度的降低就必然会导致气体分子的吸附-脱附速率减慢,工作温度和传感器的响应-恢复成了一对矛盾。本论文重点探索和解决传感器的低温工作和快速恢复不能同时满足这一关键问题,通过调控敏感材料的微纳结构,改进器件性能,提高低温下金属氧化物型半导体传感器的响应率,并降低恢复时间。本文目的在于实现环境物质的探测,主要聚焦于气敏传感器及折射率传感器。这两种探测器的共同点在于都能够感应到其附近环境物质的变化。取得的重要进展包括以下两个方面:1)设计并制备了CuO/WO3异质结构,我们发现n型材料掺入P型CuO纳米颗粒,气敏性能不再依赖于气敏材料表面的氧负离子的浓度。当温度降低到60℃,对低浓度的目标气体仍有超高的响应率,且选择性好。为了实现传感器在低温下的快速恢复,我们调整了传感器结构,加入脉冲电压的设计。该方案可以推广到整个金属氧化物电阻型气敏传感器中,是解决该类传感器件在低温下恢复慢的有效方案。本论文中设计的传感器对硫化氢气体探测具体指标如下:在60°C下对4 ppm的目标气体响应率达到~105,恢复时间从几个小时缩短到60 s左右。2)为了解决电学传感器工作温度高,测试背景噪声大,重复稳定性差,探测目标限于气体分子等局限。我们利用光学探测器零响应-恢复时间,零功耗,重复性稳定性好的优势,制备了Al/Al2O3/Al法布里珀罗(F-P)共振腔结构,研究了光学折射率传感特性,实现了光学环境折射率探测器的工作波段在0.2~2?m可调。为了改善传感器对入射角度敏感的问题,本论文对Al/Al2O3/Al的表面结构进行了调整。同时,初步探究了金属腔局域表面等离子体共振模型,提出了解决折射率传感器对角度敏感问题的有效方案。


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