具有代表性的基于金屬氧化物半導體敏感材料(MOS)氣體傳感器已廣泛應用于安全、環(huán)境、樓宇控制等領(lǐng)域的氣體檢測，該類(lèi)傳感器的能耗是制約其大規模布設的核心節點(diǎn)，MEMS技術(shù)為解決MOS氣體傳感器的該類(lèi)問(wèn)題提供了強有力的有效途逕和方案。MEMS技術(shù)的應用也為該類(lèi)傳感器的集成化提供堅實(shí)的基礎。毫無(wú)疑問(wèn)，基于MEMS的設計方案將成為未來(lái)氣體傳感器的主要發(fā)展方向之一。

 

目前，市場(chǎng)上以單晶硅材料為襯底，非硅材料為敏感層的MEMS氣體傳感器最為常見(jiàn)，現就市場(chǎng)常見(jiàn)MEMS氣體傳感器類(lèi)型加以介紹：

 

MEMS電導型氣敏傳感器

 

這種氣敏傳感器的敏感材料是金屬氧化物半導體或導電聚合物。當這些材料暴露于被測氣體中，氣體會(huì )與它們發(fā)生作用，引起電導率或電阻率的變化，產(chǎn)生包含氣體成分和濃度的電信號，經(jīng)過(guò)信號處理電路處理后，即可識別氣體的成分和濃度。

 

使用最多的金屬氧化物半導體是二氧化錫，其次是二氧化鈦、氧化鋅等。為提高氣敏傳感器靈敏度和選擇性，往往會(huì )向金屬氧化物中加入催化劑，如鉑、鈀等貴金屬或合適的金屬氧化物。

 

MEMS金屬氧化物半導體氣敏傳感器采用微電子技術(shù)的成膜工藝在硅襯底上淀積金屬氧化物敏感層，利用敏感層下的電阻做加熱器，利用二極管做測溫元件，必要的信號電路和讀出電路也可以集成在同一硅芯片上。

 

MEMS微氣體傳感器的制作工藝如圖所示，其特點(diǎn)在于將加熱電極、絕緣層和測試電極一層一層依次堆積疊加在一起。

 

 

MEMS固體電解質(zhì)氣敏傳感器

 

固體電解質(zhì)氣敏傳感器有電流型和電壓型兩種，電流型的靈敏度高，測量范圍大，溫漂小。但它的輸出電流和敏感性能與電極尺寸關(guān)系密切。傳統的燒結體型器件難于控制電極尺寸，因而輸出的電流和敏感性能也難于控制。由于MEMS技術(shù)制作的器件電機尺寸精度高，因而MEMS固體電解質(zhì)電流型氣敏傳感器性能優(yōu)異。

 

目前基于“三明治”結構的傳感器，可以實(shí)現MEMS工藝的兼容與加工，解決了傳統固體電解質(zhì)式氣體傳感器工藝兼容性差、器件結構復雜等問(wèn)題。

 

 

MEMS氣體傳感器的優(yōu)勢在于：

 

(1)微型化： MEMS器件體積小，一般單個(gè) MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位，重量輕、耗能低。同時(shí)微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。 MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面傳感器的敏感程度。

 

(2)硅基加工工藝，可兼容傳統 IC生產(chǎn)工藝：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類(lèi)似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢，同時(shí)可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

 

(3)批量生產(chǎn)：以單個(gè) 5mm×5mm尺寸的 MEMS傳感器為例，用硅微加工工藝在一片 8英寸的硅片晶元上可同時(shí)切割出大約 1000個(gè) MEMS芯片，批量生產(chǎn)可大大降低單個(gè) MEMS的生產(chǎn)成本。

 

(4)集成化：一般來(lái)說(shuō)，單顆 MEMS往往在封裝機械傳感器的同時(shí)，還會(huì )集成ASIC芯片，控制 MEMS芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。同時(shí)不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。

 

(5)多學(xué)科交叉： MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

 

 

 

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