随着物联网(IoT)技术的发展和自动化趋势,传感器作为物联网系统的前端核心器件与基石,其研发也越来越受到了广泛关注。在众多传感器中,以检测对象为环境中特定气相分子的气湿敏传感器在环境质量监测、智能家居、无人仓储等应用中起到了决定性作用。为了满足应用需求,气湿敏传感器也朝着高性能、低功耗、小尺寸、多功能、集成化的方向发展。目前气湿敏传感器存在检测精度有限、功耗较高、设备仪器庞大、功能单一、集成化程度低等问题,无法充分满足应用需求。针对这一现状,本文以微结构气湿敏薄膜与集成传感器的制备与研究作为研究课题,从微结构气湿敏敏感薄膜制备方法、薄膜结构对敏感特性影响、微传感器结构设计与制备、传感器阵列与系统的构建与应用等方面展开,同步开展敏感机理分析研究,建立相关模型。主要内容分为五部分。1.采用质子化工艺处理聚乙烯亚胺(PEI)材料,克服了其与氧化石墨烯(GO)水分散液共混絮凝的问题,实现了质子化PEI(P-PEI)与GO复合湿敏材料的制备,并通过浸涂工艺在石英晶体微天平(QCM)器件表面沉积敏感薄膜,制备湿度传感器。表征结果表明:PEI被成功质子化;表面形貌及谐振频移表明所制备复合薄膜的波纹状结构较单一材料薄膜具有更高的比表面积和更大的成膜质量,可提供更多的吸附位点有利于薄膜吸附。湿敏测试结果表明复合材料解决了单一材料灵敏度不足,高湿不起振等问题,灵敏度达到19.1 Hz/%RH,具有良好的重复性、选择性与稳定性,湿滞较单一材料明显减小。2.采用不同工艺方法分别在QCM器件表面制备GO/PEI分层复合薄膜,并研究了其湿敏特性。通过气喷工艺在QCM器件表面依次沉积PEI和GO材料。光谱分析证明PEI与GO间存在酰胺反应及离子作用,可形成稳定键合作用。表面形貌分析可观察到复合薄膜表面皱褶丰富,GO片层通过微区再溶解作用插入PEI层中,构成三维微结构,增加薄膜吸附面积。湿敏测试结果表明,所制备GO/PEI气喷分层传感器灵敏度为27.3 Hz/%RH,重复性、选择性、稳定性良好,湿滞小。为了研究分层薄膜结构对敏感薄膜湿敏特性的影响,基于GO与PEI之间的键合作用及PEI固有的粘附力作用,通过层层自组装工艺在QCM器件表面逐层交替沉积GO和PEI薄膜。结果表明,自组装GO/PEI薄膜QCM传感器的响应恢复时间较长且湿滞较大。比较气喷分层薄膜与自组装薄膜结构,可得出GO的嵌入结构有利于水分子的吸附与传导,表明薄膜微结构对QCM湿度传感器的湿敏响应有显著影响。综合分层复合薄膜较单一PEI、单一GO材料的湿敏测试与表征结果,建立了湿敏及湿滞机理模型。3.采用半导体工艺技术设计并制备不同结构的气湿敏场效应管,并验证了其气敏性能。首先,基于绝缘层上硅(SOI)晶片制备超薄体(UTB)型场效应管,通过在沟道顶部通过旋涂工艺修饰湿敏材料,成功制备了湿度传感器,湿敏响应为8.6%/%RH,通过底栅作用研究了其敏感机理。同时,为了提高工艺可操作性,降低器件成本,采用体硅结构制备无栅场效应管并通过蒸镀工艺在沟道表面沉积酞菁铜(CuPc)材料制备气体传感器,传感器显示出对二氧化氮的良好气敏响应,最低可检测50 ppb的二氧化氮气体,具有良好的选择性。通过实验实践证明了场效应管结构可应用于微结构气湿敏传感器的制备中。4.采用离子注入工艺对气湿敏场效应管进行沟道掺杂,调节阈值电压,并通过光刻工艺与真空蒸镀工艺对沟道进行修饰,制备了基于无栅场效应管结构的氨气传感器、硫化氢传感器和湿度传感器。所制备的氨气、硫化氢传感器具有良好的气敏特性,可实现10 ppb至5 ppm的目标气体检测,对1 ppm的目标气体响应分别达到13.3和724.5;制备的湿度传感器灵敏度为33.9%/%RH。三种传感器具有良好的重复性与选择性,气敏交叉串扰、检测滞回较小。基于测试结果,通过吸附理论与半导体能带理论建立了场效应管型气湿敏传感器敏感机理。5.通过电路设计与检测腔体设计,结合多场效应管型气湿敏传感器组成的传感器阵列构建气湿敏检测系统。通过该系统对氨气、硫化氢、湿度的监测来实现对鸡蛋和肉类的质量监测,并检测了两种食品在不同温度下的变质时间。实现了微结构集成传感器系统的构建与应用示范。