基于微型基板的氧化物微/纳结构有序多孔薄膜器件及其高性能气敏特性研究

Aiming at the device performances of the advanced gas sensors, we present a new idea of combination of the micro/nanostructured ordered porous films with the MEMS-based micro-sized chips, and use the organic template-based solution dipping - monolithic transfer strategy, to in situ produce mono-, multi-layer oxide micro/nanostructured ordered porous films (homo-, hetero- and doped porous films) on the micro-sized chips containing the comb-type electrodes and microheater, constituting new gas sensing devices; systematically study the influence of the films' structure, composition on the gas-sensing properties, the film's structural stability and interface binding property; explore the effects of the ion-dopping on the gas-sensing performances of the film devices, and structurally enhanced mechanism of the film gas-sensing, etc., in order to develop the constitution method of the micro/nanostructured porous film-based gas-sesning devices for high performance gas sensors, and to reveal the dependence of gas-sensing device performances on the mono- and multi-layer films' structure and composition. This study will not only provide design ideas and realization route for the high performance gas sensors, and the material base and practical application in the near future for micro/nanostructured porous films in the gas-sensing devices, but also is of importance to reveal growth process, interface binding property and gas-sensing enhancement mechanism of these films.

针对高性能气体传感器对器件性能的要求，提出将微/纳结构有序多孔薄膜与基于MEMS技术的微型基板相结合的思路，采用基于有机模板的溶液浸渍－无损转移的器件构建策略，在含叉指电极与内置微型加热器的微型基板上直接生长单层、多层氧化物微/纳结构有序多孔气敏薄膜（包括同质、异质多孔薄膜、离子掺杂的多孔薄膜等），构成新型气敏器件；系统研究薄膜结构、成分对气敏特性的影响、薄膜结构的稳定性及界面结合性质；探究离子掺杂对薄膜器件气敏特性的影响；探索薄膜气敏的结构增强机理等。旨在发展基于微/纳结构多孔薄膜的气敏器件构建方法，实现高性能气敏器件；揭示单层、多层多孔薄膜结构、成分与器件气敏特性之间的关联。这不仅可为高性能气体传感器的设计与研制提供设计思想与实现途径，为微/纳结构多孔膜在气体传感方面的器件化提供材料基础与近期可实现性；而且对揭示这类新型薄膜的生长过程、界面结合性质及其气敏增强机理等也具有科学意义。

氧化物电阻型薄膜气体传感器，由于其成本低廉、制作简单、使用方便及兼容性好等优点，在许多领域有着广泛的应用。然而，发展用于高端领域的高性能电阻型薄膜气敏器件，一直是人们所面临的挑战。所谓的高性能气敏，是指气体传感器具有高灵敏(ppb量级)、快响应(秒量级)、低功耗、高稳定性及良好选择性等特性。本项目以典型的氧化物气敏材料SnO2、ZnO、In2O3等为对象，以H2S、沙林、NO2等为测试气体，以基于有机模板的薄膜制备策略为主要手段，开展了微/纳结构有序多孔薄膜器件及其高性能气敏特性研究，包括：基于模板的微/纳米结构多孔薄膜制备与薄膜结构多样性的调控；新型气敏薄膜的气敏特性与增强机制；针对典型有害气体(沙林、H2S等)检测的器件研制与气敏特性的提高途径等。业已发展了微/纳结构多孔薄膜及其气敏器件的系列制备方法(包括二元结构阵列薄膜的设计与制备方法、基于有机模板的局域电沉积生长策略、硅基新型微/纳结构阵列薄膜的两步法制备策略等)，实现了薄膜结构的良好可控性、均匀性与稳定性，良好的制作一致性与可重复性，拥有自主知识产权；揭示了单层、多层多孔薄膜结构与器件气敏特性之间的关联以及气敏的结构增强机制，实现了薄膜器件气敏特性的结构调控与高性能。基于上述研究成果，成功研制了基于氧化物微/纳米结构器件的手持式沙林毒气检测仪与公交车上易燃挥发物监测预警装置等，突破了传统氧化物薄膜灵敏度低、响应慢和常见纳米薄膜稳定性差的技术局限，同时实现了秒量级响应速率、ppb 量级灵敏度及高稳定性与低功耗，为基于微/纳米结构多孔薄膜的高性能气体传感器的设计与研制提供了实现途径，为其实用化提供了近期可实现性。