纳米催化剂原位打印的石英微热板甲烷传感阵列

发布时间：2020-03-15 15:17

【摘要】：催化式传感器是用于甲烷检测的重要器件。对于MEMS工艺微催化传感器,平面微热板和微纳催化剂是影响性能的关键环节。传统硅基微热板的薄膜结构强度低,稳定性和工艺兼容性差;经典的微加工合成方法对催化材料的组分和微观结构有局限性,制约高性能传感器的原位制备。此外,长期高温工作在原理上导致了传感器性能退化、寿命损耗。这些问题限制了微催化传感器的广泛应用。论文针对硅薄膜微热板结构缺陷,提出了非薄膜石英微热板,作为通用的微加热/换能平台。通过多场仿真和微加工,构建制备了结构简化的二维平面式与性能优化的三维锥腔式石英微热板器件,研究了基底材料和结构参数对功耗、响应时间、耐高温、抗振性、成品率的影响。石英材料低热导率使高温器件对薄膜结构的依赖显著降低,避免了传统硅薄膜器件的高温失效和振动失效,同时显著简化层叠结构,缩减掩膜数量,提高非标工艺兼容性;敏感区域的三维锥腔优化使微热板的功耗、响应、成品率进一步改善,实现对传统硅基微热板的改进替代。基于丝印-喷点混合打印和微浸渍原理,提出了完整体系纳米催化剂的原位打印合成法,并在微热板上原位制备了γ-Al_2O_3分散的Pd-Pt双金属介孔催化剂和CeO2纳米助剂,对表面形貌、材料成分、催化活性、热稳定性、长期稳定性进行了微观表征和实验研究。提出的原位打印合成法能有效实现前驱液或纳米分散液的pL级定量和μm级定位,并实现大比表面积、可重复的多组分微催化剂原位制备,兼容标准MEMS电极工艺;基于该方法设计和制备的Pd-Pt@CeO2壳核结构纳米催化剂能显著增强催化燃烧环节,将甲烷有效检测温度由400 oC降至300 oC,并全面改善灵敏度、响应时间、信噪比、稳定性和长期寿命等指标。面向传感器的井下长期应用,设计制备了多单元交替独热工作的微传感阵列芯片,用于延长传感器高温工作的整体寿命。综合测试证明了利用石英基底大温度梯度实现多单元交替独热工作模式的优势,并依靠原位打印合成法的重复性实现了单元的一致性和可替换性。芯片有效集成在自研的无线瓦斯监测系统中,验证了工程实用性。实验表明,这种交替独热阵列对延长高温MEMS器件的芯片级寿命有很好的应用前景。论文为高温器件提供了通用热平台和损耗延迟模式,为催化式器件提供了高性能催化剂的原位制备方法,对非硅基打印微传感器的发展有重要指导意义。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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本文编号：2587217