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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于MEMS技術(shù)的汽油/煤油傳感器
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品針對(duì)工業(yè)用氣體檢測(cè)報(bào)警儀及有汽油/煤油揮發(fā)氣氣體檢測(cè)報(bào)警儀的整機(jī)開(kāi)發(fā)，可用于化工廠、電廠、礦井、隧道、坑道、地下管道、礦井、油庫(kù)、加油站、噴漆房、煉油廠、液化氣站、燃?xì)忮仩t房等可燃或有毒氣體泄漏場(chǎng)所進(jìn)行氣體檢測(cè)報(bào)警。
詳細(xì)介紹：
近年來(lái)我國(guó)煤油汽油事故頻發(fā)，在2003年2月3日電2月2日，哈爾濱天潭酒店發(fā)生特大火災(zāi)事故，造成33人死亡，10人受傷，疏散了220多人，而本事故的原因就是煤油爐爆炸引發(fā)大火，2006年1月13重慶慶江北機(jī)場(chǎng)輸油管道航空煤油發(fā)生泄漏。 本作品依據(jù)市場(chǎng)上量大面廣的《突發(fā)性污染事故中危險(xiǎn)品檔案庫(kù)》收錄的14種氣體中的油類可燃性氣體（煤油、汽油等）檢測(cè)為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)實(shí)用化的化學(xué)危險(xiǎn)品傳感器。 化學(xué)危險(xiǎn)品是指化工企業(yè)制造的有毒有害、易燃易爆的化工產(chǎn)品，其在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用等中，必須科學(xué)管理，否則一旦泄漏就會(huì)造成巨大人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。研究事故發(fā)生的原因，一個(gè)不容忽視的事實(shí)是缺少科學(xué)的安全監(jiān)控和跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)，雖然加強(qiáng)了管理，但隱患依然存在。目前市場(chǎng)上化學(xué)危險(xiǎn)品檢測(cè)傳感器大多是進(jìn)口，品種覆蓋不了工程急需，產(chǎn)品性能難以滿足惡劣環(huán)境工況需求，成本高，供貨周期長(zhǎng)，本作品有效的解決了該方面的問(wèn)題。

作品圖片

  • 基于MEMS技術(shù)的汽油/煤油傳感器

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1 基本思路 （1）氧化物陶瓷傳感器敏感材料制備 制備氧化物陶瓷傳感器敏感材料。采用化學(xué)共沉淀法制備主體敏感材料SnO2，通過(guò)摻雜納米TiO2、Bi2O3、SiO2，形成煤油傳感器的玻璃化敏感材料，通過(guò)表面鈍化處理，實(shí)現(xiàn)敏感材料穩(wěn)定化。 （2）MEMS傳感器微結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)與制作工藝技術(shù)研究。 采取理論分析、計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)MEMS傳感器微結(jié)構(gòu)體進(jìn)行設(shè)計(jì)；基于半導(dǎo)體微加工技術(shù)和平面薄膜技術(shù)制作微結(jié)構(gòu)體。 （3）面向安全探測(cè)的氣體傳感器技術(shù)研究 針對(duì)油類可燃性氣體（煤油、汽油等），基于催化燃燒氣體傳感器工作原理，開(kāi)展MEMS微傳感器的敏感芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、加熱器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，封裝技術(shù)等，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良性能氣體傳感器；提升氣體傳感器可靠性水平和環(huán)境適應(yīng)性。 2創(chuàng)新點(diǎn) （1）新型陶瓷材料--Al2O3膜基體材料； （2）MEMS微結(jié)構(gòu)體制作； （3）MEMS氣體傳感器制備封裝技術(shù)； 3 技術(shù)關(guān)鍵 （1）多層膜復(fù)合技術(shù) 采用多層膜復(fù)合技術(shù)，解決膜的脆性問(wèn)題，確定陶瓷Al2O3膜微加工基礎(chǔ)方法和技術(shù)路線； （2）氣敏材料合成技術(shù) 納米超細(xì)粉體合成技術(shù)、熱處理技術(shù)、氣氛處理技術(shù)、功能納米管均一性修飾技術(shù)； 4主要技術(shù)指標(biāo) 傳感器 種類 檢測(cè)范圍（×10-6） 分辨率（×10-6） 響應(yīng)時(shí)間（s） 精度 煤油 0～7000 100 ≤20 ±5% 汽油 0～10000 100 ≤20 ±5%

科學(xué)性、先進(jìn)性

1. 在制備氣敏材料的方法中，機(jī)械研磨法容易混進(jìn)外來(lái)雜質(zhì)，材料顆粒較大，而且成分不夠均勻；化學(xué)沉淀法存在顆粒大小不均勻、易團(tuán)聚，有些雜質(zhì)的去除較困難，本項(xiàng)目采用水熱法制備出純度高、顆粒均勻、比表面積大、組分易控的納米SnO2粉體，并通過(guò)摻雜貴金屬來(lái)提高氣敏材料的特性，充分利用了納米材料比表面積大來(lái)增加吸附氣體量和貴金屬元素能降低被測(cè)氣體的活化能，從而有效提高元件的靈敏度和縮短響應(yīng)時(shí)間。利用功能納米管均一性修飾技術(shù)，改善氣體傳感器的穩(wěn)定性。 2. 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器存在功耗過(guò)大、批量制作一致性差，可靠性偏低等問(wèn)題。本項(xiàng)目采用MEMS技術(shù)制作微汽油/煤油傳感器，采取理論分析、計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)來(lái)確定單懸橋和微雙橋式陶瓷基無(wú)內(nèi)引線封裝結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)體的各項(xiàng)參數(shù)；解決了多層膜復(fù)合的問(wèn)題和組裝問(wèn)題。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無(wú)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

聯(lián)合申報(bào)國(guó)家課題支持，完成中試研究，尋求擁有實(shí)力和魅力的企業(yè)合作產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1. 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) （1）制備的納米功能材料純度高、顆粒均勻、比表面積大、組分易控，貴金屬催化劑和功能納米管摻雜均一，氣敏材料靈敏度高、穩(wěn)定性好； （2） 微結(jié)構(gòu)汽油/煤油傳感器較傳統(tǒng)傳感器具有微型化、低功耗、工作溫度可精確可控，成本低，一致性好、可靠性高、易與信號(hào)采集和處理電路集成； （3）功能材料、汽油/煤油傳感器進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景，社會(huì)效益顯著。 2. 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) （1）采用水熱法法合成前驅(qū)物并加熱分解制備納米SnO2是一種簡(jiǎn)單、可行、有效的方法。該法具有合成產(chǎn)率高、粒度可控、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合用于工業(yè)化生產(chǎn)。 （2） 微結(jié)構(gòu)氣體傳感器產(chǎn)品具有高性能、低成本、一致性，高可靠的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體燒結(jié)式、厚膜式、接觸燃燒式及電化學(xué)式等氣敏傳感器所無(wú)法比擬的，微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器市場(chǎng)價(jià)格低于市場(chǎng)傳統(tǒng)產(chǎn)品，預(yù)計(jì)是市場(chǎng)價(jià)格的70-80%。

同類課題研究水平概述

從進(jìn)入21世紀(jì)之初，以微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）為基礎(chǔ)的技術(shù)開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室，早期為航天、汽車工業(yè)生產(chǎn)的各種MEMS傳感器，現(xiàn)已在其他一些領(lǐng)域找到商業(yè)應(yīng)用，例如光學(xué)開(kāi)關(guān)和DNA測(cè)序。其結(jié)果引起了關(guān)注微觀世界的新浪潮。 下表列出了幾種典型MEMS產(chǎn)品的發(fā)展預(yù)測(cè)。 MEMS產(chǎn)品 出現(xiàn)時(shí)間 商品化時(shí)間 壓力傳感器 1954~1996年 1990年 加速度計(jì) 1974~1985年 1998年 速率傳感器 1982~1990年 2002年 微繼電器 1977~1993年 2002年 光電器件 1980~1986年 2004年 生化傳感器 1980~1994年 2004年 射頻器件 1994~2005年 2005年 氣體傳感器 1986~1994年 2005年 國(guó)際上包括美、德、日、韓、英、意、瑞士等國(guó)家都在積極開(kāi)展MEMS氣體傳感器陣列的研究，目前已有大量關(guān)于硅基和非硅基微結(jié)構(gòu)氣體傳感器陣列研究的報(bào)道。MICROSENS、Alpha MOS等公司已向市場(chǎng)推出相關(guān)產(chǎn)品。瑞士MiCS（MicroChemical Systems）公司每年生產(chǎn)的微結(jié)構(gòu)氣體傳感器芯片達(dá)到1000萬(wàn)支，大批量的生產(chǎn)降低了生產(chǎn)成本，相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬氧化物氣體傳感器有巨大優(yōu)勢(shì)。日本Figaro公司生產(chǎn)的CDM4161智能傳感器模塊可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)CO2氣體濃度超限報(bào)警，Microsense公司和XEMICS公司合作研制了一種無(wú)線空氣質(zhì)量檢測(cè)器，MGSM3000型智能氣體傳感器采用兩個(gè)微結(jié)構(gòu)氣體傳感器和一個(gè)溫度傳感器可以檢測(cè)CO、CH4、NOx、碳?xì)浠衔镆约坝袡C(jī)揮發(fā)物，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)以微型聚合物/碳黑為敏感元件通過(guò)CMOS工藝集成了傳感器芯片，德國(guó)的Karlsruhe研究中心研制成功手機(jī)大小的KAMINA氣體檢測(cè)模塊。Baselt等人開(kāi)發(fā)了一種微懸臂梁氫氣傳感器。德?tīng)柛窆静捎肕EMS技術(shù)制造的醋酸的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)紅外探測(cè)器。 雖然我國(guó)目前在氣敏材料的研究上有很大進(jìn)展，但由于受實(shí)驗(yàn)條件限制在對(duì)工藝要求較高的微結(jié)構(gòu)氣體傳感器陣列及系統(tǒng)的研究方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)雖有一些單位涉及“電子鼻”的研究，但都只是局限于分立器件，微型氣體傳感器陣列的研究只是剛剛起步
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