MEMS氣體傳感器的研發(fā)設計與生產(chǎn)工藝

背景：

如今，氣體傳感器的應用范圍越來(lái)越廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應用的推動(dòng)下，其技術(shù)發(fā)展方向開(kāi)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(lǐng)域的氣體檢測，該類(lèi)傳感器的能耗是制約其大規模布設的核心節點(diǎn)，MEMS技術(shù)為解決MOS氣體傳感器的該類(lèi)問(wèn)題提供了強有力的有效途逕和方案。MEMS技術(shù)的應用也為該類(lèi)傳感器的集成化提供堅實(shí)的基礎。毫無(wú)疑問(wèn)，基于MEMS的設計方案將成為未來(lái)氣體傳感器的主要發(fā)展方向之一。

MEMS氣體傳感器的常見(jiàn)類(lèi)型：

目前，市場(chǎng)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(jiàn)，現就市場(chǎng)常見(jiàn)MEMS氣體傳感器類(lèi)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(huì )與它們發(fā)生作用，引起電導率或電阻率的變化，產(chǎn)生包含氣體成分和濃度的電信號，經(jīng)過(guò)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(huì )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(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。

2、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(shù)制作的器件電機尺寸精度高，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”結構的傳感器，可以實(shí)現MEMS工藝的兼容與加工，解決了傳統固體電解質(zhì)式氣體傳感器工藝兼容性差、器件結構復雜等問(wèn)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(gè) 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(shí)微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。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(chǎn)工藝：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類(lèi)似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢，同時(shí)可以很大程度上兼容硅基加工工藝。

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

(4)集成化：一般來(lái)說(shuō)，單顆 MEMS往往在封裝機械傳感器的同時(shí)，還會(huì )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(shí)不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)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(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。