淺析MEMS電導(dǎo)型氣敏傳感器的設(shè)計與工藝

目前，氣體傳感器的應(yīng)用日趨廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)等泛在應(yīng)用的推動下，其技術(shù)發(fā)展方向開始向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展。

具有代表性的基于金屬氧化物半導(dǎo)體敏感材料(MOS)氣體傳感器已廣泛應(yīng)用于安全、環(huán)境、樓宇控制等領(lǐng)域的氣體檢測，該類傳感器的能耗是制約其大規(guī)模布設(shè)的核心節(jié)點，MEMS技術(shù)為解決MOS氣體傳感器的該類問題提供了強(qiáng)有力的有效途逕和方案。MEMS技術(shù)的應(yīng)用也為該類傳感器的集成化提供堅實的基礎(chǔ)。毫無疑問，基于MEMS的設(shè)計方案將成為未來氣體傳感器的主要發(fā)展方向之一。

目前，市場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，現(xiàn)就市場常見MEMS氣體傳感器類型加以介紹：

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MEMS電導(dǎo)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(dǎo)體或?qū)щ娋酆衔?。?dāng)這些材料暴露于被測氣體中，氣體會與它們發(fā)生作用，引起電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。

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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(tǒng)的燒結(jié)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(jī)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(jié)構(gòu)的傳感器，可以實現(xiàn)MEMS工藝的兼容與加工，解決了傳統(tǒng)固體電解質(zhì)式氣體傳感器工藝兼容性差、器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。

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 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(jī)械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短等優(yōu)點。 MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/p>

(2)硅基加工工藝，可兼容傳統(tǒng) IC生產(chǎn)工藝：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)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(chǎn)：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(chǎn)可大大降低單個 MEMS的生產(chǎn)成本。

(4)集成化：一般來說，單顆 MEMS往往在封裝機(jī)械傳感器的同時，還會集成ASIC芯片，控制 MEMS芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)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(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。

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