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气体传感器的制造工艺与发展方向

在传感器技术里,气敏元件的制造工艺很多,但针对气体传感器的特性、材料,主要采用微电子机械技术(MEMT)。微电子机械技术是以微电子技术和微加工技术为基础的一种新技术,分为体微机械技术、表面微机械技术和X射线深层光刻电铸成型(LIGA)技术。体微机械技术加工对象以体硅单晶为主,加工厚度几十至数百微米,关键技术是腐蚀技术和键合技术,优点是设备和工艺简单,但可靠性差;表面微机械技术利用半导体工艺,如氧化、扩散、光刻、薄膜沉积、牺牲层和剥离等专门技术进行加工,厚度为几微米,优点是与IC工艺兼容性好,但纵向尺寸小,无法满足高深宽比的要求,受高温的影响较大;LIGA技术采用传统的X射线包光,厚光刻胶作掩膜,电铸成型工艺,加工厚度达到数微米至数十微米,可实现重复精度很高的大批量生产。

微电子机械技术是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。

近年来,由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高,因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用,气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用,理解各类气体传感器的工作原理和作用机理,正确选择各类传感器的敏感材料,灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等,使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。

新气敏材料与制作工艺的研究开发

对气体传感器材料的研究表明,金属氧化物半导体材料Zn0,SIlo2,Fe203等己趋于成熟化,特别是在C比,C2H5OH,CO等气体检测方面。现在这方面的工作主要有两个方向:一是利用化学修饰改性方法,对现有气体敏感膜材料进行掺杂、改性和表面修饰等处理,并对成膜工艺进行改进和优化,提高气体传感器的稳定性和选择性;二是研制开发新的气体敏感膜材料,如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料,使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点,已成为研究的热点。

新型气体传感器的研制

沿用传统的作用原理和某些新效应,优先使用晶体材料(硅、石英、陶瓷等),采用先进的加工技术和微结构设计,研制新型传感器及传感器系统,如光波导气体传感器、高分子声表面波和石英谐振式气体传感器的开发与使用,微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。随着新材料、新工艺和新技术的应用,气体传感器的性能更趋完善,使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等优点。

气体传感器智能化

随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视,对各种有毒、有害气体的探测,对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。

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