【摘要】：催化式傳感器是用于甲烷檢測(cè)的重要器件。對(duì)于MEMS工藝微催化傳感器,平面微熱板和微納催化劑是影響性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)硅基微熱板的薄膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,穩(wěn)定性和工藝兼容性差;經(jīng)典的微加工合成方法對(duì)催化材料的組分和微觀結(jié)構(gòu)有局限性,制約高性能傳感器的原位制備。此外,長(zhǎng)期高溫工作在原理上導(dǎo)致了傳感器性能退化、壽命損耗。這些問題限制了微催化傳感器的廣泛應(yīng)用。論文針對(duì)硅薄膜微熱板結(jié)構(gòu)缺陷,提出了非薄膜石英微熱板,作為通用的微加熱/換能平臺(tái)。通過多場(chǎng)仿真和微加工,構(gòu)建制備了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的二維平面式與性能優(yōu)化的三維錐腔式石英微熱板器件,研究了基底材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)功耗、響應(yīng)時(shí)間、耐高溫、抗振性、成品率的影響。石英材料低熱導(dǎo)率使高溫器件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的依賴顯著降低,避免了傳統(tǒng)硅薄膜器件的高溫失效和振動(dòng)失效,同時(shí)顯著簡(jiǎn)化層疊結(jié)構(gòu),縮減掩膜數(shù)量,提高非標(biāo)工藝兼容性;敏感區(qū)域的三維錐腔優(yōu)化使微熱板的功耗、響應(yīng)、成品率進(jìn)一步改善,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)硅基微熱板的改進(jìn)替代�；诮z印-噴點(diǎn)混合打印和微浸漬原理,提出了完整體系納米催化劑的原位打印合成法,并在微熱板上原位制備了γ-Al_2O_3分散的Pd-Pt雙金屬介孔催化劑和CeO2納米助劑,對(duì)表面形貌、材料成分、催化活性、熱穩(wěn)定性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了微觀表征和實(shí)驗(yàn)研究。提出的原位打印合成法能有效實(shí)現(xiàn)前驅(qū)液或納米分散液的pL級(jí)定量和μm級(jí)定位,并實(shí)現(xiàn)大比表面積、可重復(fù)的多組分微催化劑原位制備,兼容標(biāo)準(zhǔn)MEMS電極工藝;基于該方法設(shè)計(jì)和制備的Pd-Pt@CeO2殼核結(jié)構(gòu)納米催化劑能顯著增強(qiáng)催化燃燒環(huán)節(jié),將甲烷有效檢測(cè)溫度由400 oC降至300 oC,并全面改善靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、信噪比、穩(wěn)定性和長(zhǎng)期壽命等指標(biāo)。面向傳感器的井下長(zhǎng)期應(yīng)用,設(shè)計(jì)制備了多單元交替獨(dú)熱工作的微傳感陣列芯片,用于延長(zhǎng)傳感器高溫工作的整體壽命。綜合測(cè)試證明了利用石英基底大溫度梯度實(shí)現(xiàn)多單元交替獨(dú)熱工作模式的優(yōu)勢(shì),并依靠原位打印合成法的重復(fù)性實(shí)現(xiàn)了單元的一致性和可替換性。芯片有效集成在自研的無線瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,驗(yàn)證了工程實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)表明,這種交替獨(dú)熱陣列對(duì)延長(zhǎng)高溫MEMS器件的芯片級(jí)壽命有很好的應(yīng)用前景。論文為高溫器件提供了通用熱平臺(tái)和損耗延遲模式,為催化式器件提供了高性能催化劑的原位制備方法,對(duì)非硅基打印微傳感器的發(fā)展有重要指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212

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