基于一维硅纳米结构的微型电离气敏传感器研究

气体电离式传感器以检测气体电离后产生带电离子形成电流的方式来实现对气体成分和浓度分析。常规的电离传感器由于制作复杂，体积庞大，击穿电压偏高等限制了其应用。本研究中，采用电化学腐蚀方法制备的垂直硅纳米线阵列作为正电极，研制垂直腔式微型电离传感器。采用MEMS加工技术制作间隙在亚微米量级的微电极结构，可以有效地降低工作电压，减小制造难度，提高工作的稳定性等。通过本项目研究，从理论上研究微米/纳米间隙电极中不同气体的放电规律，从实验上制造出高灵敏度稳定的微型电离气敏传感器，将工作电压降低至人体安全电压以下（36V），解决电离传感器存在的工作电压高，稳定性差等问题。该传感器将会在气相色谱，大气有害气体的监测报警等方面有很大的应用价值。

气体放电，尤其是微小间隙放电研究，具有突出的学术价值。本研究以硅纳米线(SiNWs)作为对象，研究其制备、修饰，以及在场致电子发射、电晕放电和气体电离等方面的性能。主要研究结果如下：.第一，完成了硅纳米电极优化制备，并对其进行了金纳米粒子修饰，得到新型Au/SiNWs复合放电电极。运用金属辅助化学湿法刻蚀，制备了直径在50-300nm，具有高长径比直立结构的SiNWs。通过硅烷偶联剂APTMS将金纳米粒子组装到SiNWs表面，金纳米粒子平均直径为10nm，为单晶结构，含量为7.26%。.第二，研究了SiNWs 以及Au/SiNWs的真空场发射性能，获得了超低的开启电场。首先，研究了不同类型SiNWs的场发射性能，发现 n 型低掺杂SiNWs的场发射性能最好。其次，采用Au/SiNWs复合结构来提高场发射性能，发现经过修饰后，开启电场由未修饰的1.76 V/μm降低至0.17 V/μm，场发射性能有了很大改进。同时由于金纳米粒子的修饰作用，提高了SiNWs的导电性能，所以电流密度也因此增大。变温场发射特性研究，发现SiNWs的场发射性能随着温度的增加而略有所提高，而随着温度的升高Au/SiNWs的场发射性能明显提高。最后，鉴于SiNWs表面本征氧化层的存在，提出了基于MIS的SiNWs能带模型，分析了场发射机理。.第三，采用SiNWs尖端-金属平面电极结构，研究了常温常压下，SiNWs电极的正电晕和负电晕放电特性。采用简化针尖-平面电极模型，进行了器件设计与制造。得到正电晕放电起始电压在700V左右，稳定工作电压范围为700-1600V；而负电晕放电起始电压在400V左右，工作电压范围为400-1700V。发现负电晕的电晕范围比正电晕更大，且更稳定。.第四，利用微机械加工SiNWs电极，研究了微米间隙尺度(1-20μm)下SiNWs电极气体电离特性，发现微小间隙下放电规律与经典Paschen公式的背离。首先，利用MEMS技术制作出两种电极结构：刻蚀玻璃形成玻璃凹槽式以及硅选择性刻蚀形成硅凹槽式电极结构，电极间隙在微米级可控。接着在常温常压下研究SiNWs的电离全伏安特性，测得空气的击穿电压仅为21±1V左右，远远低于其他一维纳米材料。其次分别研究了硅纳米参数对例如硅片类型,掺杂浓度等放电特性的影响.