基于压阻硅桥的新型MEMS气体传感器集成阵列研究

提出一种新型MEMS气体传感器结构，即在四周固支的压阻硅桥的硅应变膜片上沉积一层聚合物薄膜，利用聚合物薄膜吸收有机蒸汽气体后发生溶胀形变这一特点，使其下的硅应变膜片产生应变，导致硅桥产生一输出电压，从而实现气体的检测。与单端固定的悬臂梁式气体传感器相比，这种四周固支的硅桥结构气体传感器具有更好的抗气流波动、抗振动、抗冲击、抗污染等特点，更加适合于恶劣环境的应用。本项目将深入分析这种新型气体传感器的气敏机理，结合弹性薄板原理与溶胀效应理论，建立传感器的气敏响应模型，以此为基础，优化设计各器件结构参数对传感器性能的影响；借助压电石英晶体技术对气体在聚合物薄膜中的溶解性进行评价研究，为气敏薄膜的快速选择提供参考；利用填充物效应、纳米增强效应促进气敏薄膜的溶胀特性与吸附特性，改善传感器的灵敏度与选择性；探索新型气体传感器的实现工艺，构建气体传感器阵列检测系统。

针对现代气体传感器低功耗、易集成、微型化的发展要求，本项目提出基于聚合物溶胀特性与压阻硅桥等换能器相结合发展新型气体传感器的研究思路。本项目在分析低气压下聚合物敏感膜对目标气体的吸附溶胀特性的基础上，讨论了传感器敏感膜溶胀应变及其与硅应变薄膜相互作用的过程，探讨了压阻硅桥型气体传感器的气敏机理并建立了气敏机制模型，探索了压阻式气体传感器的建模与器件优化设计方法，进行了聚合物气敏薄膜的选择与优化及气体传感器的工艺实现研究，利用压电石英微天平对气体在聚合物薄膜中的吸附溶解性进行评价研究，为气敏薄膜的筛选提供参考，基于多种聚合物材料作为敏感薄膜发展了相应的新型气湿敏传感器，通过聚合物复合改性进一步改善了聚合物气湿敏薄膜的性能，研究表明这些传感器具有可低温工作，功耗小，易与硅集成工艺兼容，体积小等特点。同时本项目探索了气体传感器阵列电子鼻设计与实现，以及MEMS气体传感器的数据采集与温度补偿方法等气体传感器阵列检测系统的关键技术。