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基本信息
- 項目名稱：
- 基于MEMS技術(shù)的汽油/煤油傳感器
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品針對工業(yè)用氣體檢測報警儀及有汽油/煤油揮發(fā)氣氣體檢測報警儀的整機開發(fā)，可用于化工廠、電廠、礦井、隧道、坑道、地下管道、礦井、油庫、加油站、噴漆房、煉油廠、液化氣站、燃氣鍋爐房等可燃或有毒氣體泄漏場所進行氣體檢測報警。
- 詳細介紹：
- 近年來我國煤油汽油事故頻發(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重慶慶江北機場輸油管道航空煤油發(fā)生泄漏。 本作品依據(jù)市場上量大面廣的《突發(fā)性污染事故中危險品檔案庫》收錄的14種氣體中的油類可燃性氣體（煤油、汽油等）檢測為研究對象，開發(fā)實用化的化學(xué)危險品傳感器。 化學(xué)危險品是指化工企業(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、運輸、使用等中，必須科學(xué)管理，否則一旦泄漏就會造成巨大人身傷亡和財產(chǎn)損失。研究事故發(fā)生的原因，一個不容忽視的事實是缺少科學(xué)的安全監(jiān)控和跟蹤檢測系統(tǒng)，雖然加強了管理，但隱患依然存在。目前市場上化學(xué)危險品檢測傳感器大多是進口，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，本作品有效的解決了該方面的問題。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、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，通過摻雜納米TiO2、Bi2O3、SiO2，形成煤油傳感器的玻璃化敏感材料，通過表面鈍化處理，實現(xiàn)敏感材料穩(wěn)定化。 （2）MEMS傳感器微結(jié)構(gòu)體設(shè)計與制作工藝技術(shù)研究。 采取理論分析、計算機模擬和實驗技術(shù)相結(jié)合的方法，對MEMS傳感器微結(jié)構(gòu)體進行設(shè)計；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）面向安全探測的氣體傳感器技術(shù)研究 針對油類可燃性氣體（煤油、汽油等），基于催化燃燒氣體傳感器工作原理，開展MEMS微傳感器的敏感芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、加熱器設(shè)計與制造技術(shù)，封裝技術(shù)等，開發(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 （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 檢測范圍（×10-6） 分辨率（×10-6） 響應(yīng)時間（s） 精度 煤油 0～7000 100 ≤20 ±5% 汽油 0～10000 100 ≤20 ±5%
科學(xué)性、先進性
- 1. 在制備氣敏材料的方法中，機械研磨法容易混進外來雜質(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、易團聚，有些雜質(zhì)的去除較困難，本項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，并通過摻雜貴金屬來提高氣敏材料的特性，充分利用了納米材料比表面積大來增加吸附氣體量和貴金屬元素能降低被測氣體的活化能，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大、批量制作一致性差，可靠性偏低等問題。本項目采用MEMS技術(shù)制作微汽油/煤油傳感器，采取理論分析、計算機模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法，經(jīng)過多次反復(fù)來確定單懸橋和微雙橋式陶瓷基無內(nèi)引線封裝結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)體的各項參數(shù)；解決了多層膜復(fù)合的問題和組裝問題。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 聯(lián)合申報國家課題支持，完成中試研究，尋求擁有實力和魅力的企業(yè)合作產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1. 技術(shù)特點和優(yōu)勢 （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、易與信號采集和處理電路集成； （3）功能材料、汽油/煤油傳感器進行規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景，社會效益顯著。 2. 市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測 （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，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，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法比擬的，微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器市場價格低于市場傳統(tǒng)產(chǎn)品，預(yù)計是市場價格的70-80%。
同類課題研究水平概述
- 從進入21世紀(jì)之初，以微機電系統(tǒng)（MEMS）為基礎(chǔ)的技術(shù)開始走出實驗室，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)開關(guān)和DNA測序。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。 MEMS產(chǎn)品 出現(xiàn)時間 商品化時間 壓力傳感器 1954~1996年 1990年 加速度計 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 國際上包括美、德、日、韓、英、意、瑞士等國家都在積極開展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道。MICROSENS、Alpha MOS等公司已向市場推出相關(guān)產(chǎn)品。瑞士MiCS（MicroChemical Systems）公司每年生產(chǎn)的微結(jié)構(gòu)氣體傳感器芯片達到1000萬支，大批量的生產(chǎn)降低了生產(chǎn)成本，相對于傳統(tǒng)的金屬氧化物氣體傳感器有巨大優(yōu)勢。日本Figaro公司生產(chǎn)的CDM4161智能傳感器模塊可實現(xiàn)室內(nèi)CO2氣體濃度超限報警，Microsense公司和XEMICS公司合作研制了一種無線空氣質(zhì)量檢測器，MGSM3000型智能氣體傳感器采用兩個微結(jié)構(gòu)氣體傳感器和一個溫度傳感器可以檢測CO、CH4、NOx、碳氫化合物以及有機揮發(fā)物，美國加利福尼亞大學(xué)以微型聚合物/碳黑為敏感元件通過CMOS工藝集成了傳感器芯片，德國的Karlsruhe研究中心研制成功手機大小的KAMINA氣體檢測模塊。Baselt等人開發(fā)了一種微懸臂梁氫氣傳感器。德爾格公司采用MEMS技術(shù)制造的醋酸的現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測紅外探測器。 雖然我國目前在氣敏材料的研究上有很大進展，但由于受實驗條件限制在對工藝要求較高的微結(jié)構(gòu)氣體傳感器陣列及系統(tǒng)的研究方面還遠遠落后于西方發(fā)達國家。國內(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
