MEMS氣體傳感器的特點及分類

背景：

如今，氣體傳感器在各個領域的應用越來越廣泛，在物聯網等技術應用的推動下，其技術發展方向開始向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發展。

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、環境、樓宇控制等領域的氣體檢測，該類傳感器的能耗是制約其大規模布設的核心節點，MEMS技術為解決MOS氣體傳感器的該類問題提供了強有力的有效途逕和方案。MEMS技術的應用也為該類傳感器的集成化提供堅實的基礎。毫無疑問，基于MEMS氣體傳感器的設計方案將成為未來氣體傳感器的主要發展方向之一。

現在，儀器儀表中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。

現就市場常見MEMS氣體傳感器類型加以介紹：

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，氣體會與它們發生作用，引起電導率或電阻率的變化，產生包含氣體成分和濃度的電信號，經過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。

該MEMS氣體傳感器的特點在于將加熱電極、絕緣層和測試電極一層一層依次堆積疊加在一起。

MEMS固體電解質氣敏傳感器

固體電解質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技術制作的器件電機尺寸精度高，因而MEMS固體電解質電流型氣敏傳感器性能優異。

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

MEMS氣體傳感器的優勢在于：

(1)微型化：MEMS器件體積小，一般單個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。同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。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生產工藝：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢，同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

(3)批量生產：以單個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切割出大約1000個MEMS芯片，批量生產可大大降低單個MEMS的生產成本。

(4)集成化：一般來說，單顆MEMS往往在封裝機械傳感器的同時，還會集成ASIC芯片，控制MEMS芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個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)多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。