基本信息
- 项目名称：
- 基于MEMS技术的汽油/煤油传感器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品针对工业用气体检测报警仪及有汽油/煤油挥发气气体检测报警仪的整机开发，可用于化工厂、电厂、矿井、隧道、坑道、地下管道、矿井、油库、加油站、喷漆房、炼油厂、液化气站、燃气锅炉房等可燃或有毒气体泄漏场所进行气体检测报警。
- 详细介绍：
- 近年来我国煤油汽油事故频发，在2003年2月3日电2月2日，哈尔滨天潭酒店发生特大火灾事故，造成33人死亡，10人受伤，疏散了220多人，而本事故的原因就是煤油炉爆炸引发大火，2006年1月13重庆庆江北机场输油管道航空煤油发生泄漏。 本作品依据市场上量大面广的《突发性污染事故中危险品档案库》收录的14种气体中的油类可燃性气体（煤油、汽油等）检测为研究对象，开发实用化的化学危险品传感器。 化学危险品是指化工企业制造的有毒有害、易燃易爆的化工产品，其在生产、存储、运输、使用等中，必须科学管理，否则一旦泄漏就会造成巨大人身伤亡和财产损失。研究事故发生的原因，一个不容忽视的事实是缺少科学的安全监控和跟踪检测系统，虽然加强了管理，但隐患依然存在。目前市场上化学危险品检测传感器大多是进口，品种覆盖不了工程急需，产品性能难以满足恶劣环境工况需求，成本高，供货周期长，本作品有效的解决了该方面的问题。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1 基本思路 （1）氧化物陶瓷传感器敏感材料制备 制备氧化物陶瓷传感器敏感材料。采用化学共沉淀法制备主体敏感材料SnO2，通过掺杂纳米TiO2、Bi2O3、SiO2，形成煤油传感器的玻璃化敏感材料，通过表面钝化处理，实现敏感材料稳定化。 （2）MEMS传感器微结构体设计与制作工艺技术研究。 采取理论分析、计算机模拟和实验技术相结合的方法，对MEMS传感器微结构体进行设计；基于半导体微加工技术和平面薄膜技术制作微结构体。 （3）面向安全探测的气体传感器技术研究 针对油类可燃性气体（煤油、汽油等），基于催化燃烧气体传感器工作原理，开展MEMS微传感器的敏感芯片结构设计与优化、加热器设计与制造技术，封装技术等，开发具有优良性能气体传感器；提升气体传感器可靠性水平和环境适应性。 2创新点 （1）新型陶瓷材料--Al2O3膜基体材料； （2）MEMS微结构体制作； （3）MEMS气体传感器制备封装技术； 3 技术关键 （1）多层膜复合技术 采用多层膜复合技术，解决膜的脆性问题，确定陶瓷Al2O3膜微加工基础方法和技术路线； （2）气敏材料合成技术 纳米超细粉体合成技术、热处理技术、气氛处理技术、功能纳米管均一性修饰技术； 4主要技术指标 传感器 种类 检测范围（×10-6） 分辨率（×10-6） 响应时间（s） 精度 煤油 0～7000 100 ≤20 ±5% 汽油 0～10000 100 ≤20 ±5%
科学性、先进性
- 1. 在制备气敏材料的方法中，机械研磨法容易混进外来杂质，材料颗粒较大，而且成分不够均匀；化学沉淀法存在颗粒大小不均匀、易团聚，有些杂质的去除较困难，本项目采用水热法制备出纯度高、颗粒均匀、比表面积大、组分易控的纳米SnO2粉体，并通过掺杂贵金属来提高气敏材料的特性，充分利用了纳米材料比表面积大来增加吸附气体量和贵金属元素能降低被测气体的活化能，从而有效提高元件的灵敏度和缩短响应时间。利用功能纳米管均一性修饰技术，改善气体传感器的稳定性。 2. 传统结构的金属氧化物半导体传感器存在功耗过大、批量制作一致性差，可靠性偏低等问题。本项目采用MEMS技术制作微汽油/煤油传感器，采取理论分析、计算机模拟和实验验证相结合的方法，经过多次反复来确定单悬桥和微双桥式陶瓷基无内引线封装结构的微结构体的各项参数；解决了多层膜复合的问题和组装问题。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 联合申报国家课题支持，完成中试研究，寻求拥有实力和魅力的企业合作产业化生产。
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1. 技术特点和优势 （1）制备的纳米功能材料纯度高、颗粒均匀、比表面积大、组分易控，贵金属催化剂和功能纳米管掺杂均一，气敏材料灵敏度高、稳定性好； （2） 微结构汽油/煤油传感器较传统传感器具有微型化、低功耗、工作温度可精确可控，成本低，一致性好、可靠性高、易与信号采集和处理电路集成； （3）功能材料、汽油/煤油传感器进行规模化生产，具有良好的产业化前景，社会效益显著。 2. 市场分析和经济效益预测 （1）采用水热法法合成前驱物并加热分解制备纳米SnO2是一种简单、可行、有效的方法。该法具有合成产率高、粒度可控、成本低廉等优点，适合用于工业化生产。 （2） 微结构气体传感器产品具有高性能、低成本、一致性，高可靠的特点，是传统的半导体烧结式、厚膜式、接触燃烧式及电化学式等气敏传感器所无法比拟的，微结构气敏传感器市场价格低于市场传统产品，预计是市场价格的70-80%。
同类课题研究水平概述
- 从进入21世纪之初，以微机电系统（MEMS）为基础的技术开始走出实验室，早期为航天、汽车工业生产的各种MEMS传感器，现已在其他一些领域找到商业应用，例如光学开关和DNA测序。其结果引起了关注微观世界的新浪潮。 下表列出了几种典型MEMS产品的发展预测。 MEMS产品 出现时间 商品化时间 压力传感器 1954~1996年 1990年 加速度计 1974~1985年 1998年 速率传感器 1982~1990年 2002年 微继电器 1977~1993年 2002年 光电器件 1980~1986年 2004年 生化传感器 1980~1994年 2004年 射频器件 1994~2005年 2005年 气体传感器 1986~1994年 2005年 国际上包括美、德、日、韩、英、意、瑞士等国家都在积极开展MEMS气体传感器阵列的研究，目前已有大量关于硅基和非硅基微结构气体传感器阵列研究的报道。MICROSENS、Alpha MOS等公司已向市场推出相关产品。瑞士MiCS（MicroChemical Systems）公司每年生产的微结构气体传感器芯片达到1000万支，大批量的生产降低了生产成本，相对于传统的金属氧化物气体传感器有巨大优势。日本Figaro公司生产的CDM4161智能传感器模块可实现室内CO2气体浓度超限报警，Microsense公司和XEMICS公司合作研制了一种无线空气质量检测器，MGSM3000型智能气体传感器采用两个微结构气体传感器和一个温度传感器可以检测CO、CH4、NOx、碳氢化合物以及有机挥发物，美国加利福尼亚大学以微型聚合物/碳黑为敏感元件通过CMOS工艺集成了传感器芯片，德国的Karlsruhe研究中心研制成功手机大小的KAMINA气体检测模块。Baselt等人开发了一种微悬臂梁氢气传感器。德尔格公司采用MEMS技术制造的醋酸的现场应急监测红外探测器。 虽然我国目前在气敏材料的研究上有很大进展，但由于受实验条件限制在对工艺要求较高的微结构气体传感器阵列及系统的研究方面还远远落后于西方发达国家。国内虽有一些单位涉及“电子鼻”的研究，但都只是局限于分立器件，微型气体传感器阵列的研究只是刚刚起步
