万徽[1]2004年在《硅基纳米湿敏元件特性、机理研究及其测试仪设计》文中研究说明以硅片为衬底制作了纳米钛酸钡(BaTiO_3)膜湿敏元件。用硬脂酸盐法合成纳米钛酸钡材料，丝网印刷法将纳米钛酸钡涂在硅衬底上制成电阻式湿敏元件。测试分析了元件的性能参数，结果表明，元件具有较高的灵敏度。元件阻抗(Z)和电容(C)值随测试频率及相对湿度(RH)而变化，但基本不随测试电压变化。在1V，100Hz条件下，元件阻抗～相对湿度关系曲线的线性最好。 用复阻抗法对硅衬底纳米钛酸钡湿敏元件的感湿机理进行了分析讨论。实验测量得到湿敏元件在不同相对湿度下的复阻抗特性曲线，然后用各种理想等效电路的复阻抗曲线与实际测量的纳米钛酸钡湿敏元件的复阻抗特性曲线进行比较，寻找一组最相近的曲线。结果表明，纳米钛酸钡湿敏元件的感湿特性可以等效为两个电阻—电容并联电路的串联再与另一个电阻串联的等效电路。这个电路在改变电阻与电容参数的情况下，复阻抗特性曲线的变化规律可以很好的与纳米钛酸钡湿敏元件的实验测量的不同湿度下复阻抗特性曲线的变化规律相吻合。分析出相应的等效电路之后，结合等效电路有关参数的变化规律，分析讨论了纳米钛酸钡湿敏元件的感湿机理。低湿时，感湿材料本身颗粒电阻和电容(传导载流子和材料极化)及吸附的少量水分子共同起作用；高湿时，吸附的水分子的电离及水分子引起的电极处的空间电荷极化起主要作用。 纳米钛酸钡感湿芯片是一种电阻式湿度传感器。100Hz交流电压作用下，该感湿芯片的输出电阻值对数与相对湿度之间的线性最好，且在相对湿度11％～98％范围内其阻值变化了4个数量级，感湿灵敏度较高。但是，电阻跨度大成为测湿电路设计的难题。本论文基于单片机AT89C2051，采用程控放大技术，设计了简单化、智能化的湿度测试仪，有效解决了上述难题。
杜鹏[2]2008年在《硅衬底氧化锆薄膜湿敏元件研制及特性研究》文中研究指明湿度传感器在生产与生活各方面都有广泛的应用。为了将传感器与控制电路集成，需要研制硅衬底薄膜型湿敏元件。本文从这一目的出发，研制了硅衬底氧化锆薄膜湿敏元件，研究包括设计元件电极结构，实验寻找并优化氧化锆薄膜及过渡层薄膜的制备工艺，薄膜特性表征，湿敏元件制作及湿敏特性测量，敏感机理分析等。用ANSYS软件电场防真设计了电极的尺寸，并通过溅射、光刻、剥离等半导体平面工艺在硅衬底上制作了Pt电极。研究了用溶胶-凝胶法制备氧化锆敏感薄膜及过渡层氧化钛薄膜的制备工艺，通过反复大量实验，并结合示差热扫描-热重分析，优化并确定了溶胶配置(浓度比例、混合速率、加热温度、放置时间等)、甩胶速率、湿膜前烘温度和时间、退火温度和时间等工艺的最佳条件。通过X射线衍射仪、台阶仪、原子力显微镜、光电子能谱仪等测试手段对制备的氧化锆、氧化钛及氧化锆／氧化钛双层薄膜进行了表征及分析。制成了具有ZrO_2／TiO_2／Pt／SiO_2／Si结构的湿敏元件。测试了制得的硅基氧化锆薄膜湿敏元件的特征参数，在11％-98％RH范围内，元件阻抗变化了4个数量级，说明元件具有很高的灵敏度并且可用于全湿度范围；元件的湿滞约为10％RH；响应时间为15 s，恢复时间为25 s；频率对元件的感湿特性影响较小。本文通过单层氧化锆薄膜和双层氧化锆／氧化钛薄膜的XPS的O 1s谱分析了双层膜比单层膜感湿特性好的原因。利用测试的湿敏元件的复阻抗谱得到了元件的感湿等效电路，分析了湿敏元件的感湿机理。
宋刚[3]2005年在《纳米钛酸钡与有机复合膜湿敏元件的特性研究》文中进行了进一步梳理复合材料因具有复合效应、协同效应,而使其具有组分材料所不具备的许多优良性能。纳米钛酸钡和有机聚合物QAR都是较好的湿敏材料,将它们通过不同的复合方式(双层、共混)制成复合(材料)膜湿敏元件后,湿敏元件的灵敏度、湿滞、响应-恢复时间、阻抗特性等湿度敏感特性均发生了不同程度的变化,复合膜湿敏元件整体性能得到提升和改善。本论文围绕复合材料(双层、共混)湿敏元件与单一材料湿敏元件的各种对比,突出由复合型湿敏材料制成的电阻式湿敏元件的特点和优势。 湿敏材料(元件)的感湿机理一直是人们研究的热点。本论文利用直流法、交流法、热刺激电流法、分析研究了湿敏材料的感湿机理,借助扫描电子显微镜(SEM)、光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等表征测试分析手段,从感湿膜的微观形貌、结构、化学组分和晶态等材料学角度,探讨研究了湿敏材料的微观结构和化学构成对湿敏特性的影响。 通常,湿度传感器制成后,根据多个实测数据来设计外围处理电路,制成实用的测量湿度的仪器。所以,人们往往注重湿敏材料的制作和设计适合实测数据的外围处理电路。当湿度传感器的数量很多时,实测少量数据并通过数学模拟来代替实测大量数据的方法显得非常必要。本论文通过公式推导和经验总结,提出了电阻式湿敏元件的阻—湿—温叁维构成的湿敏特性半经验公式模型。随后,以某一样品的实测数据为依据,利用统计学软件SPSS的多元线性回归方法进行拟合,最后得出与这一样品湿敏特性相对应的具体的拟合式。经验证,拟合数据与原数据符合得很好,表明半经验公式模型是可靠的。
马军[4]2014年在《沙漠玫瑰石形石墨烯的发现与研究》文中研究表明石墨烯是一种以sp~2杂化碳原子组成的平面六边形网格状蜂窝结构的二维纳米材料,拥有较高的电子迁移速率、比表面积,且结构性质稳定,广泛应用于微电子器件、高效催化剂、新能源材料等。本文通过裂解低分子量聚硅烷(o-PS),首次制备了直立生长于碳化硅微球表面的石墨烯——沙漠玫瑰石形石墨烯(DRG)。DRG呈现出独特的结构和稳定性,具有很高的选择性催化活性,且可反复使用。通过对生长机理的研究发现,在不同生长基底上能可控地得到DRG或超长碳化硅纳米线。本文还从碳化硅纳米线制备了纳米纸,并发现其优异的湿敏传感特性。DRG的制备和应用研究是本文的主要内容之一。本文利用o-PS的裂解在硅片、石墨片表面制备得到了DRG。DRG由实心碳化硅多晶微球和微球表面的石墨烯两部分构成,大部分石墨烯直立生长于碳化硅微球的表面,其平均长度约为100 nm。与石墨烯生长方向类似,有少量碳纳米管生长于碳化硅微球表面,直径10-20 nm,长度约为数百纳米。碳化硅多晶微球平均直径约为0.9μm,为实心结构,含有石墨微晶、β-SiC微晶(微晶平均尺寸约为3 nm)和无定形物质,其中β-SiC微晶主要位于球体内部,而石墨微晶则集中在靠近球体表面的部位。为提高DRG的催化活性,分别采用对已得到DRG进行化学修饰与裂解o-PS和乙腈的混合物两种方式制备氮掺杂DRG。DRG催化苯甲醇、乙苯选择性氧化转化率仅分别为36.3%和46.9%,而采用上述两种方式制备的氮掺杂DRG催化该反应的转化率均超过了90%,且具有较好的选择性。以DRG的制备研究为切入点,对o-PS的裂解过程和机理进行研究。发现以硅片、石墨片为生长基底得到的裂解产物为DRG;以瓷舟、活性炭为基底且在金属催化剂存在下的裂解主要产物为碳化硅纳米线。DRG生长机理可简述如下:在升温阶段o-PS分子在高温环境中挥发为悬浮气态分子。惰性载气(Ar或N2)将其运输迁移至炉内高温区域,在高温作用下,o-PS中Si-Si键断裂形成小分子自由基,经交联-裂解竞争反应过程增长为微液滴。微液滴发生碰撞熔并和裂解固化,沉降于硅片(或石墨片)生长基底表面,并形成多层堆迭。在高温作用下已固化的微球进一步发生裂解和晶化,使得球内部出现大量碳化硅微晶,结晶驱动力使碳向球外层富集并结晶形成石墨微晶。在此过程中,碳化硅微球裂解释放的氢气、甲烷等小分子物质,使其表面的石墨微晶加速生长为多层石墨烯,并最终形成DRG。通过丙酮辅助压缩法,以o-PS裂解制备的碳化硅纳米线制备了自支撑的碳化硅纳米纸。碳化硅纳米纸的电阻随着环境湿度的增高而线性增高,可在较宽的湿度范围内检测环境湿度的变换,其最高灵敏度可达47.43%,最快响应时间约为0.8秒(脉冲湿度测试系统)。对碳化硅纳米纸湿敏传感机理的研究认为当水分子吸附在碳化硅纳米纸表面时,水分子与Si-OH生成网络状的氢键结构,导致水分子中的电子向碳化硅纳米纸移动,降低了碳化硅纳米纸中的p型载流子浓度,使得碳化硅纳米纸出现电阻下降的现象。
房振乾[5]2007年在《微电子机械系统（MEMS）中介孔硅材料的热学、力学及电学特性研究》文中研究表明多孔硅(PS)具有大的体积表面比、高效率的发光特性,良好的化学稳定性以及与传统IC工艺的兼容性,使其在SOI技术,微电子机械系统(MEMS)技术以及微传感器技术等众多方面得到极大重视。近年来,随着MEMS技术的迅猛发展,作为一种新兴的牺牲层和绝热层材料,多孔硅以其优良的力学性能和绝热性能在制造化学微传感器、热微传感器、光电子器件以及太阳能电池等MEMS领域中得到广泛的应用。介孔硅(Meso-PS)作为多孔硅技术的一个分支,因其具有适中的孔径尺寸、孔隙率,良好的绝热特性、机械性能等特点在上述MEMS领域应用最为广泛。本论文采用双槽电化学腐蚀法制备介孔硅,主要针对MEMS中介孔硅材料的热学、力学和电学基本性质以及金属薄膜和半导体薄膜微温度传感器中基于介孔硅功能绝热层的绝热特性进行分析和研究。采用准确便捷且对样品无损伤的微拉曼光谱技术测量介孔硅的热导率,研究了实验条件及氧化后处理对其热导率的影响,并对实验测量的结果进行对比分析研究,得出介孔硅热导率随孔隙率及氧化后处理的变化规律。探讨了介孔硅的传热机理,基于有效介质理论,提出用于分析所制备介孔硅和氧化介孔硅热导率的理论模型,对影响所制备介孔硅和氧化介孔硅有效热导率的因素进行了理论分析,得出用于计算所制备介孔硅和氧化介孔硅有效热导率的理论计算公式,揭示了介孔硅层热导率与硅基底热导率间的巨大差异。研究分析表明理论计算与所获得的实验数据相一致,为今后利用介孔硅材料制作绝热层打下了良好的理论基础。由于介孔硅薄膜材料的尺度较小,传统的材料力学测试方法难以对其机械力学参数进行测量。纳米压痕技术具有操作简单、测量精度高、可以在很小的局部范围测试材料的力学性能等优点,在材料的微观力学性能研究方面得到了广泛的应用,逐渐成为微机械材料力学性能测量中应用最广的一种方法。通过纳米压痕技术研究了所制备介孔硅和氧化介孔硅的硬度和杨氏弹性模量随纳米压入深度的变化规律,比较了经不同温度处理的氧化介孔硅的力学性能差异。研究分析表明,所制备介孔硅的硬度和杨氏弹性模量随其孔隙率的增加而减小,经过不同温度的氧化后处理,氧化作用形成的二氧化硅包覆层可以明显提高其微观力学性能。在对介孔硅材料的热学和微机械力学性能的研究基础上,进一步探讨了所制备介孔硅及氧化介孔硅的电学性能。以金属半导体接触原理为基础,对铂金属薄膜与介孔硅所组成的金属—所制备介孔硅或氧化介孔硅—单晶硅微结构的纵向和横向接触特性进行分析和研究,得出其I-V特性随制备条件及氧化后处理的变化规律。研究发现,介孔硅层具有良好的电绝缘特性,介孔硅基微器件可以形成稳定的电接触。基于介孔硅的微结构的I-V特性主要由介孔硅层的电学特性所决定,表现出非整流的接触特性。基于介孔硅优良的绝热特性、良好的机械稳定性和电绝缘特性,对其在热微传感器中作为功能绝热层的应用作了进一步的研究。以具有正电阻温度系数(PTC)的铜金属薄膜和具有负电阻温度系数(NTC)的氧化钒薄膜为热敏元件对介孔硅功能结构层的绝热特性进行分析,并对相应热敏元件的电阻温度特性进行了研究。研究结果表明,基于介孔硅优良的绝热特性,热敏薄膜表现出良好的电阻温度特性,较高的灵敏度,可以应用于更加广泛的热敏感材料制作基于介孔硅功能绝热层的热微传感器,从而扩展了介孔硅功能绝热层的应用范围。
张伟[6]2007年在《面向MEMS的多孔硅基温度传感器研究》文中提出多孔硅(Porous Silicon,PS)特有的微结构使其广泛应用于微电子机械系统(Micro Electronic Mechanical System,MEMS)加工技术;而其独特的半导体能带结构又使其在光电器件领域具有很大的发展潜力。目前,国内外有关多孔硅基传感器的报道已经很多,例如:多孔硅基气敏,湿敏,热流量传感器等。但利用多孔硅绝热性能研究温度传感器还比较少,尤其是国内还处于起步阶段。本论文研究多孔硅基传感器设计及制作过程中的关键性问题,包括:应用于温度传感器的多孔硅的绝热性能研究。多孔硅的表面及断面形貌研究。多孔硅与金属接触特性。并以研究为基础,优化工艺流程,设计制作多孔硅基温度传感器,验证了多孔硅良好的绝热性能。实验采用双槽电化学法制备多孔硅,场发射扫描电镜观测样品表面及断面形貌,显微拉曼光谱法测量多孔硅热导率,研究多孔硅的制备条件及高温氧化处理条件对其绝热性能的影响,利用溅射镀膜的方法形成多孔硅与金属的接触结构并测量结构的串联电阻。研究发现,多孔硅的孔隙率,厚度,微晶粒尺寸等是影响其绝热性的主要因素,各个因素影响绝热性能的机制是不同的。其中,多孔硅层厚度直接与其绝热性能相关,而孔隙率与晶粒尺寸则是通过热导率间接影响绝热性能;高温氧化会改变多孔硅的热导率;多孔硅与金属接触既非理想的欧姆接触,也不是普通的肖特基接触,是多种机制混合作用的结果。其伏安特性曲线表现出类似肖特基势垒二极管的整流特性,并且具有双向整流作用。利用多孔硅良好的绝热性能,根据热电偶塞贝克效应原理,设计多孔硅基热电偶传感器的结构,并优化工艺流程,完成了传感器的制作,通过测量热电势信号输出,表明以多孔硅为电偶热端结点绝热材料,硅片作为冷端结点衬底时,随着加热电阻提供热量增加,两结点温差逐渐增大,热电偶回路中的电势最高可达600uV。创新点:系统研究了多孔硅的制备条件(腐蚀电流密度,腐蚀时间)以及高温氧化条件对多孔硅热导率的影响;深入分析了多孔硅与金属接触特性;根据实验要求,采用自行设计的局部腐蚀多孔硅装置,优化了传统MEMS制造工艺,形成新的多孔硅基热电偶传感器的工艺流程。
参考文献：
[1]. 硅基纳米湿敏元件特性、机理研究及其测试仪设计[D]. 万徽. 大连理工大学. 2004
[2]. 硅衬底氧化锆薄膜湿敏元件研制及特性研究[D]. 杜鹏. 大连理工大学. 2008
[3]. 纳米钛酸钡与有机复合膜湿敏元件的特性研究[D]. 宋刚. 大连理工大学. 2005
[4]. 沙漠玫瑰石形石墨烯的发现与研究[D]. 马军. 国防科学技术大学. 2014
[5]. 微电子机械系统（MEMS）中介孔硅材料的热学、力学及电学特性研究[D]. 房振乾. 天津大学. 2007
[6]. 面向MEMS的多孔硅基温度传感器研究[D]. 张伟. 天津大学. 2007
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