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MEMS传感

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导读: 具有代表性的基于金属氧化物半导体敏感材料(MOS)气体传感器已广泛应用于安全、环境、楼宇控制等领域的气体检测,该类传感器的能耗是制约其大规模布设的核心节点,MEMS技术为解决MOS气体传感器的该类问题提供了强有力的有效途迳和方案。

目前,气体传感器的应用日趋广泛,在物联网等泛在应用的推动下,其技术发展方向开始向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。

具有代表性的基于金属氧化物半导体敏感材料(MOS)气体传感器已广泛应用于安全、环境、楼宇控制等领域的气体检测,该类传感器的能耗是制约其大规模布设的核心节点,MEMS技术为解决MOS气体传感器的该类问题提供了强有力的有效途迳和方案。MEMS技术的应用也为该类传感器的集成化提供坚实的基础。毫无疑问,基于MEMS的设计方案将成为未来气体传感器的主要发展方向之一。

目前,市场上以单晶硅材料为衬底,非硅材料为敏感层的MEMS气体传感器最为常见,现就市场常见MEMS气体传感器类型加以介绍:

MEMS电导型气敏传感器

这种气敏传感器的敏感材料是金属氧化物半导体或导电聚合物。当这些材料暴露于被测气体中,气体会与它们发生作用,引起电导率或电阻率的变化,产生包含气体成分和浓度的电信号,经过信号处理电路处理后,即可识别气体的成分和浓度。

使用最多的金属氧化物半导体是二氧化锡,其次是二氧化钛、氧化锌等。为提高气敏传感器灵敏度和选择性,往往会向金属氧化物中加入催化剂,如铂、钯等贵金属或合适的金属氧化物。

MEMS金属氧化物半导体气敏传感器采用微电子技术的成膜工艺在硅衬底上淀积金属氧化物敏感层,利用敏感层下的电阻做加热器,利用二极管做测温元件,必要的信号电路和读出电路也可以集成在同一硅芯片上。

MEMS微气体传感器的制作工艺如图所示,其特点在于将加热电极、绝缘层和测试电极一层一层依次堆积叠加在一起。

MEMS气体传感器的设计与工艺

MEMS固体电解质气敏传感器

固体电解质气敏传感器有电流型和电压型两种,电流型的灵敏度高,测量范围大,温漂小。但它的输出电流和敏感性能与电极尺寸关系密切。传统的烧结体型器件难于控制电极尺寸,因而输出的电流和敏感性能也难于控制。由于MEMS技术制作的器件电机尺寸精度高,因而MEMS固体电解质电流型气敏传感器性能优异。

目前基于“三明治”结构的传感器,可以实现MEMS工艺的兼容与加工,解决了传统固体电解质式气体传感器工艺兼容性差、器件结构复杂等问题。

MEMS气体传感器的设计与工艺

MEMS气体传感器的优势在于:

(1)微型化: MEMS器件体积小,一般单个 MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。 MEMS更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。

(2)硅基加工工艺,可兼容传统 IC生产工艺:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

(3)批量生产:以单个 5mm×5mm尺寸的 MEMS传感器为例,用硅微加工工艺在一片 8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000个 MEMS芯片,批量生产可大大降低单个 MEMS的生产成本。

(4)集成化:一般来说,单颗 MEMS往往在封装机械传感器的同时,还会集成ASIC芯片,控制 MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。

(5)多学科交叉: MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS气体传感器的设计与工艺

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