硅基四阵列PANI/SnO2杂化室内污染气体传感器的研究

作     者：张欢欢 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯侨华

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：MEMS 有限元分析 PANI/SnO2 室温 气敏特性 

摘      要：随着化工技术愈加成熟、化工产品愈加丰富,房屋建筑和室内装修使用的新型建筑材料,在带来优良性能的同时也释放了有害气体。而有超过80%的人在室内时间超过一半,且随着疫情的频发,人们居家办公,学生居家上网课,时间还在增加。此外,多数居民通过喷洒酒精进行室内消毒,但当乙醇的浓度超过3%时,易引发火灾。家居微环境的污染已经成为现代人最大安全隐患之一。因此制备室内污染气体传感器迫在眉睫,本文基于聚苯胺/二氧化锡制备了硅基四阵列室内污染气体传感器。本文设计了以单晶硅为基底的MEMS传感器微结构芯片叠层结构和加热电极几何结构。在加热电极和信号电极之间加入氮化硅电绝缘层,避免了干扰,也有利于芯片的工作温度分布均匀;对微结构芯片进行热隔离设计,减少热量损耗,降低功耗;通过ANSYS有限元分析的方法,进行了热稳态和热应力的仿真,验证了MEMS微结构芯片可行性。分别采用化学氧化聚合法、溶胶凝胶法和机械混合法,制备了有机气敏材料聚苯胺、无机气敏材料二氧化锡和PANI/SnO复合材料,并对气体敏感材料进行TG-DTA、扫描电子显微镜、紫外光谱和傅立叶红外光谱的表征分析,分析结果表明,聚苯胺/二氧化锡的掺杂提高了材料的热稳定性,增加了材料的表面积,气体吸附效果增强。制备了四阵列集成MEMS气体传感器,对氨气和乙醇进行了气敏性能测试,并对聚苯胺/二氧化锡的气敏机理进行了探讨。测试结果表明,聚苯胺/二氧化锡气体传感器在室温条件下(20℃),对氨气和乙醇具有较好的气敏特性;对氨气选择性好,检测浓度范围广,可检测0.5ppm-5000ppm的氨气,材料的掺杂提高了传感器灵敏度,缩短了传感器的响应恢复时间,并具有良好的重复性,重复性误差为12.7%;对乙醇选择性好,响应恢复时间短(均小于2s),解吸性好,可检测高于1000ppm的乙醇。