MEMS氣體傳感器的研發(fā)設計與生產工藝

背景：

如今，氣體傳感器的應用范圍越來越廣泛，在物聯(lián)網等技術應用的推動下，其技術發(fā)展方向開始向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展。

采用金屬氧化物半導體敏感材料作為氣敏材料的氣體傳感器已廣泛應用于安全、環(huán)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(guī)模布設的核心節(jié)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的設計方案將成為未來氣體傳感器的主要發(fā)展方向之一。

MEMS氣體傳感器的常見類型：

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：

1、MEMS電導型氣敏傳感器

這種氣體傳感器的氣敏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(fā)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材料是二氧化錫，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。

2、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(tǒng)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(yōu)異。

目前基于“三明治”結構的傳感器，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(yōu)勢：

(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(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(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，形成復雜的微系統(tǒng)。

(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(fā)展的許多尖端成果。