MEMS氣體傳感器應(yīng)用和發(fā)展

在日常生活中，我們感知外界靠眼睛、耳朵和鼻子，在信息化時代、物聯(lián)網(wǎng)時代、智能化時代，我們通過傳感器連接世界。在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、安全、智能生活中，氣體的監(jiān)測是不可少的環(huán)節(jié)，氣體傳感器在其中扮演了重要的角色。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，氣體傳感器的應(yīng)用更加廣泛，逐漸向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展。這些年，隨著MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的進(jìn)步，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的氣體傳感器逐步被開發(fā)出來，應(yīng)用到各種場合。

MEMS全稱是Micro Electromechanical System，即微機(jī)電系統(tǒng)，是指在尺寸幾毫米甚至更小的材料上構(gòu)建一個獨(dú)立的智能系統(tǒng)，滿足一定的使用功能。MEMS涉及物理學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、電子工程、化學(xué)、材料工程、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)、信息工程及生物工程等多種學(xué)科和工程技術(shù)，為智能系統(tǒng)、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備、智能家居、系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域開拓了廣闊的用途。

MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到。MEMS氣體傳感器是近些年興起的一項先進(jìn)技術(shù)，用于探測氣體濃度的MEMS傳感器。

一、MEMS氣體傳感器的原理

a) 氣敏材料: MEMS氣體傳感器采用特殊的氣敏材料，能與目標(biāo)氣體發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)會導(dǎo)致材料的電阻、容抗或其他電性質(zhì)的變化。

b) 微電子機(jī)械系統(tǒng): 傳感器芯片上的微機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠引起氣敏材料的變形或位移。當(dāng)目標(biāo)氣體與材料發(fā)生反應(yīng)時，產(chǎn)生的壓力或力量將改變微機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

c) 電學(xué)測量: MEMS氣體傳感器通過測量材料電阻、電容等電性質(zhì)的變化來檢測氣體濃度。這些電性質(zhì)的變化與目標(biāo)氣體的濃度呈正相關(guān)關(guān)系。

二、MEMS氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)
（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(diǎn)。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?/span>

(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)展的許多成果。

MEMS氣體傳感器體積小、成本低的特點(diǎn)為我們的生活提供了無限的想象，隨著技術(shù)的日益進(jìn)步，可以實現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用。