研究领域:MEMS与微纳米测试技术、超精密加工技术

目前研究兴趣:

 

1.  基于固体电解质的微型电化学气体传感器


电化学气体传感器具有较好的选择性、良好的可重复性以及成本低等优点,得到了广泛的研究和发展。近年来,将微细加工工艺应用于电化学传感器,研制微型气体传感器,相对于传统传感器,微气体传感器具有结构一致性好、灵敏度高、响应时间短等优点。一种为研究集成加热板的微型CO2气体传感器,它结构可等效为CO2, O2, Au, Li2CO3︱Li3PO4︱Li2TiO3-TiO2, Au, CO2, O2 ,微传感器在500℃下对CO2 具有较好的响应特性,传感器采用薄膜沉积、磁控溅射和丝网印刷工艺制备。通过本项目研究,形成高端传感器研制方法和工艺流程,建立和完善微型环境监测器件与系统实验室平台;研究传感器产业化方法,以满足国内高端气体传感器的需求。另一种为常温气体传感器,采用热蒸发镀膜和磁控溅射工艺制备了一种基于O2, Pt︱LaF3︱Sn-SnF2 结构的全薄膜气体传感器,传感器在室温条件下同时可对氧气和水蒸气具有响应特性。

 

 

 

 

图1 基于固体电解质的微型电化学气体传感器:a)双电极结构反应图;  b)双电极平面结构;c)封装结构温度场仿真图

2.超精密加工

 

高精元件广泛应用于能源、空间、国防装备、集成电路与MEMS等领域,高精元件表面存在的亚表面损伤日益成为制约该类元件性能发挥的瓶颈。以高精元件亚表面损伤层微裂纹为研究对象,在腐蚀法检测亚表面损伤的基础上,结合复杂表面微观形貌分形插值方法与腐蚀逆向演化有限差分模型,提出一种高精元件亚表面损伤层微裂纹全息反演研究方法与理论;进而研究典型高精元件亚表面损伤层微裂纹全息分布规律与表征方法,并依据亚表面损伤层微裂纹全息表征参数,结合加工工艺与材料性能,探索亚表面损伤层

微裂纹形成与生长的内在机理。本课题提出的亚表面损伤层微裂纹全息反演研究方法与理论可适用于各种面型高精元件亚表面损伤层微裂纹全息的检测,其结果不仅为亚表面损伤层微裂纹机理研究提供一种新的思路,还为改善高精元件加工工艺、减少亚表面损伤层微裂纹打下基础。

 

 

 

 

 

                              图2 亚表面损伤示意图和压痕腐蚀示意图

 

3. 集成式微纳金属氧化物气体传感器

 

研制基于MEMS技术和纳米技术相结合的金属氧化物半导体微纳气体传感器,将纳米材料与微加热器集成起来,作为敏感物质的金属氧化物材料纳米化之后,使气体传感器的诸多性能(灵敏度、选择性、快速性、稳定性)得到质的提升;同时许多纳米敏感材料在室温下可对某些气体有显著响应,可以大幅度降低气体传感器的工作温度,从而降低功耗。通过本项目研究,旨在解决低功耗问题和纳米材料与MEMS工艺的兼容性问题,可实现对超低检测限目标气体的快速检测。

 

 

 

 

 

图3 (a)传感器结构剖面图;(b)封装示意图;(c)、(d)240℃条件下气体传感器对不同浓度O2的响应曲线

 

4. 超低限气体检测技术及应用

 

微纳超低检测限气体传感器具有检测灵敏度高,响应速度快,便携性好等优点,可用于环境监测、汽车、医疗、化工等多个专业领域。该项目基于MEMS技术,研究一种针对挥发性有机气体(如异戊二烯Isoprene等)进行快速分离、准确检测的系统,检测限达到10PPb级。研究通过理论计算和数值模拟对系统结构进行优化,消除样品在时间、空间上的改变形成的误差,提高传感器的检测精度、灵敏度,以满足仪器在复杂环境中快速分析的要求;同时具备良好的便携性,可对有害气体进行现场检测。

                               图4 超低极限气体检测微型气相色谱仪

 

 近年来研究进展

 

(1)基于微纳气体传感技术的精准医疗研究
与资助公司上海礽芯合作,针对呼吸气体种类的多样性和超低浓度特点,研究10ppb超低检测限的微型代谢呼吸气体检测仪和微纳传感芯片,实现多种疾病呼出气体的分离和精确检测,解决呼吸气体挥发有机气体检测中的选择性、检测限、灵敏度、响应性与精度等方面高要求的难题,形成微纳米技术与呼吸气体指纹的精准医疗新理论体系。目前已申请6项发明专利,发表系列文章。
(2)超低功耗微纳米高端气体传感器研究
针对物联网技术中气体传感器对功耗、稳定性的严苛要求,采用独有的掺杂、集成工艺、纳米材料制备技术,在解决微纳集成工艺难题的基础上,研制mW级超低功耗微纳气体传感器,实现对各类氧化还原性气体,如CO、CH4、O2、VOC、NH3等的精确、快速检测。在该方面已获授权发明专利6项,发表论文10多篇。相关成果已通过西安相关公司和政府的资金资助,将尽快实现技术落地。
(3)微纳环境保护器件与技术开发
在环保检测方面,成功研制了基于Li离子传导的复合固体电解质的CO2、NOx、SO2等固体电解质气体传感器,研制成功了0.5W的高灵敏度、高可靠性气体传感器。在环境治理方面,提出并实现了纳米多组份溶液的水洗法空气治理技术,技术合作方为深圳企业。该方面已获授权发明专利5项,发表论文10多篇。
(4)超精密加工元件全面质量研究 附:光学元件亚表面损伤研究进展
提出高精元件亚表面全息损伤的测量方法和评定理论,研究高精元件亚表面损伤层微裂纹全息分布特征表征体系,得到不同工艺参数及材料元件进行亚表面损伤层微裂纹的参数,并建立高精元件工艺、全表面质量及元件性能的关系。在研究方向已发表论文15篇,申请授权发明专利5项。
 
 
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