【器件篇】MEMS氣體傳感器基礎知識詳解

氣體傳感器材料

許多氣體傳感器的工作原理是通過將氣體分子吸附到金屬氧化物（MOS）元件的表面，吸附的氣體分子與這種金屬氧化物表面相互作用，捕獲一個或多個傳導電子，來調(diào)節(jié)金屬氧化物元件的電阻。通常來說，電阻與氣體濃度的分數(shù)次方成反比。這是因為金屬氧化物表面上的大氣氧被目標氣體還原，從而在金屬氧化物材料的導帶中產(chǎn)生更多的電子。而且這種電阻下降是可逆的，并且根據(jù)傳感材料的反應性、催化劑材料的存在和傳感器的工作溫度而變化。

左圖：在清潔的空氣中，二氧化錫中的供體電子被吸附在傳感材料表面的氧氣吸引，從而阻止電流流動。

右圖：在還原性氣體存在下，吸附氧的表面密度隨著其與還原性氣體反應而降低。 然后電子被釋放到二氧化錫中，使電流自由流過傳感器。

傳感器材料類別包括錫(SnO2)、鈦(TiO2)、銦(In2O3)、鋅(ZnO)、鎢(WO3)和鐵(Fe2O3)等金屬氧化物（MOS，Metal oxide semiconductor）。每種金屬氧化物對不同的氣體敏感。例如，氧化錫可有效檢測酒精、氫氣、氧氣、硫化氫和一氧化碳。相比之下，氧化銦對臭氧(O3)敏感；氧化鋅可用于檢測鹵代烴。

如果傳感器在測量工作結(jié)束之后無法恢復，則可能目標氣體對傳感器產(chǎn)生了不可逆的影響，使其不再工作。而多數(shù)MOS傳感器在目標氣體測量后可將將其電阻恢復到原始值，所以它們可以重復使用。

此外，多數(shù)MOS氣體傳感器都受到濕度的不利影響，必須始終控制濕度。此外，材料特性的變化需要對每個傳感器進行單獨校準。

氣體傳感器MEMS部分

瑞士MicroChemical Systems SA早期的MiCS系列一氧化碳傳感器，該實施方案在多晶硅電阻加熱器上集成了氧化錫薄膜傳感電阻器。加熱器的作用是將傳感器保持在100°至450°C之間的工作溫度，從而減少濕度的有害影響。

圖2-一氧化碳傳感器及其等效電路模型和最終封裝部件的圖示。氧化錫的表面電阻會隨著一氧化碳的變化而變化。多晶硅加熱器將傳感器的溫度保持在100°至450°C之間，以減少濕度的不利影響。

檢測電阻器和加熱器位于2μm厚的硅膜上，以最大限度地減少通過基板的熱損失?？偣灿兴膫€電觸點：兩個連接到氧化錫電阻器，另外兩個連接到多晶硅加熱器。對于加熱器，僅47mW就足以將膜維持在400°C。對于檢測電阻器，測量電阻的最簡單方法是讓恒定電流流過傳感元件并記錄輸出電壓。

氣體傳感器MEMS工藝

以一氧化碳傳感器為例，公開文獻中存在類似設備的說明。一個簡單的工藝：

首先通過外延生長或離子注入和退火形成重摻雜、p型、2μm厚的硅層。隨后沉積氮化硅層。

化學氣相沉積（CVD）步驟提供了多晶硅薄膜，隨后將其圖案化并蝕刻成加熱器的形狀。

多晶硅薄膜可以在CVD工藝期間原位摻雜，也可以通過離子注入和隨后的退火進行摻雜。

然后沉積氧化層并在其中蝕刻接觸孔。該層的目的是將多晶硅加熱器與氧化錫傳感元件電隔離。

氧化錫層是通過濺射錫并在大約400°C的溫度下氧化而沉積的。另一種沉積工藝是溶膠-凝膠，從錫基有機前體開始，并通過在高溫下燒制來固化。

使用標準光刻對氧化錫層進行圖案化并蝕刻成傳感元件的形狀。濺射和圖案化的鋁提供接觸金屬化。

最后，從背面用氫氧化鉀或EDP進行蝕刻，在重摻雜的p型表面硅層上停止，形成薄膜。

當然，襯底背面的掩模層（例如氮化硅）和正面的保護是必要的。還可以蝕刻所有硅并在氮化硅層停止，以進一步增加熱隔離并提高傳感器的性能。

氣體傳感器結(jié)構(gòu)

MEMS氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)通常由三部分組成：MEMS芯片、ASIC芯片、和封裝。

MEMS部件，前面已經(jīng)提及，通常利用壓阻效應或電容效應等原理來檢測氣體。由于其脆弱性，傳感器芯片通常采用有蓋封裝設計，以保護其免受外部干擾和損壞。 這種封閉式封裝涉及將傳感器芯片密封在有蓋的金屬或陶瓷盒中，并通過多個引腳將其連接到外部電路。

ASIC芯片作為MEMS氣體傳感器的控制中心，主要用于控制傳感器的工作狀態(tài)和信號處理。 工作狀態(tài)主要是加熱及時序控制，而信號處理涉及模擬電路、數(shù)字電路和微處理器模塊，可以對ADC進行放大、濾波、轉(zhuǎn)換，并對傳感器的數(shù)字信號進行處理，從而增強其精度和穩(wěn)定性。

兩者通過封裝的方式結(jié)合在一個器件之中。

圖3-氣體傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

審核編輯：劉清