MEMS气体传感器芯片技术研究及产业化

MEMS气体传感器芯片技术研究及产业化

黄义洋

广州柳汇投资有限公司  广东广州  511400

摘要：MEMS气体传感器芯片是一种微型化、高性能的气体检测设备。研究概述了其基本构成、工作原理和主要类型，详细探讨了设计考虑因素和制造工艺。重点分析了关键制造技术，如微加热器制造和纳米材料集成。同时，阐述了MEMS气体传感器芯片在环境监测、工业安全、智能家居、医疗健康以及农业和食品安全等领域的广泛应用，展示了其在现代社会中的重要价值。

关键词：MEMS气体传感器芯片；微加热器；纳米材料；环境监测；工业安全

引言：随着环境保护、工业安全和智能化需求的日益增长，微型化、高性能的气体检测设备变得尤为重要。MEMS气体传感器芯片凭借其微小尺寸、低功耗和高灵敏度等优势，在多个领域展现出巨大的应用潜力。深入研究MEMS气体传感器芯片技术及其产业化应用，对推动环境监测、工业安全、智能家居等领域的技术进步和创新具有重要意义。

一、MEMS气体传感器芯片技术概述

（一）基本构成

MEMS气体传感器芯片的核心组件敏感层是与待测气体直接接触的部分，起着检测气体的关键作用，敏感层的物理或化学性质会根据所接触的气体种类而变化，这些变化是传感过程的基础。为了维持敏感层在适宜的工作条件下运行，微加热器的角色不容小觑，通过提供恒定的温度，微加热器确保敏感层能够在最优的环境中响应气体的存在，温度的精确控制是提高传感器准确性和可靠性的一个关键因素。电极的功能是测量敏感层的电学特性如电阻或电容的变化，这些变化反映了敏感层对气体的反应，是后续信号处理的基础，通过电极，检测到的电学变化转换为可以进一步分析的电信号[1]。衬底则提供了一个稳定的平台，支持传感器的整体结构，衬底的材质和结构设计对传感器的整体性能和耐用性有显著影响，常见材料包括硅、玻璃或陶瓷，这些材料能够承受制造过程中的高温和化学处理。最后，信号处理电路对传感器的输出信号进行放大、滤波和转换，这是确保输出数据准确性和可靠性的关键环节，通过这些电路，从敏感层得到的原始电信号转化为数字信号，便于后续的数据处理和分析，从而得出气体浓度的精确信息。

（二）工作原理

MEMS气体传感器芯片的工作原理依赖于气体与敏感材料之间的相互作用，这一交互为气体检测提供了基础。当目标气体与敏感层发生接触时，敏感层的物理或化学性质将发生明显变化，这些变化可能包括电阻、电容或质量的改变，它们是气体存在的直接指标。敏感层中的材料如金属氧化物半导体或导电聚合物，对特定气体显示出高度的响应性，使得即使在极低浓度下也能检测到气体的存在[2]。通过设计精巧的电极和微加热器，这些变化能被准确地捕捉并转化为可测量的电信号，电极在此过程中起到关键作用，它们测量由于气体吸附引起的敏感层电学特性的变化，这些电学变化随后通过电极传输。随后，这些电信号由信号处理电路接收。该电路负责放大、滤波和转换这些信号，以便进行进一步的分析和处理。电路的设计确保了信号的稳定性和准确性，允许传感器在各种环境条件下均能稳定工作；转换机制通常包括模拟到数字的转换，这使得数字处理设备能够接收和分析信号，最终输出关于气体浓度的详细信息。

（三）主要类型及特征

根据检测原理的不同，MEMS气体传感器芯片可分为以下几种主要类型：金属氧化物半导体型（MOS）、催化燃烧型、电化学型、非分散红外型（NDIR）、光声光谱型、表面声波型（SAW）。下表1概述了这些类型的主要特征：

表1 不同类型MEMS气体传感器芯片的特征

二、MEMS气体传感器芯片的设计与制造

（一）设计考虑因素

设计MEMS气体传感器芯片涉及多个关键因素，确保传感器在各种环境下均能高效、可靠地工作。选择敏感材料是初步且至关重要的步骤，例如SnO2、ZnO、WO3等材料因其对特定气体的高敏感性而被选用，这些材料的选择直接影响到传感器对目标气体的响应性和选择性。结构设计同样重要，需对敏感层、电极、微加热器等进行优化，通过改进这些组件的布局和材料，可以显著提升传感器的性能和可靠性。例如，电极的精确布局有助于更有效地捕捉和传输由敏感层检测到的电学变化。温度控制是保证传感器准确度的另一个核心方面，设计高效的微加热器和温度反馈系统，确保敏感层始终在最佳的工作温度下运行，对于增强传感器的反应速度和减小误差至关重要。信号处理的集成同样不容忽视，合适的信号调理和数据转换电路的集成，能够显著提高从敏感层收集到的信号质量，从而确保输出数据的准确性和可靠性

[3]。封装设计也是设计过程中的一个关键考量点，封装不仅要保护内部芯片免受物理损伤和环境侵害，还需要允许气体有效接触敏感层，这对于传感器的长期稳定运行至关重要。此外，功耗优化是现代电子设备设计中的一个重要考量，通过优化结构设计和工作模式，可以有效降低传感器的能耗，延长其使用寿命，尤其是在电池驱动的便携设备中。最后，抗干扰设计需考虑温度、湿度等环境因素的影响，通过增强传感器对这些非目标环境变量的耐受性，可以避免误报和错报，提升传感器在各种环境条件下的可靠性。

（二）制造工艺

MEMS气体传感器芯片的制造通常涉及以下主要工艺步骤：1.衬底准备：选择适当的衬底材料，如硅、玻璃或陶瓷。2.薄膜沉积：使用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)等方法沉积各功能层。3.光刻：通过光刻技术定义各个结构的图形。4.刻蚀：使用湿法刻蚀或干法刻蚀形成所需的微结构。5.掺杂：通过离子注入或扩散等方法实现局部区域的掺杂。6.金属化：沉积和图形化电极和互连线。7.牺牲层释放：去除牺牲层，形成悬空或空腔结构。8.封装：进行芯片级封装，保护敏感结构并允许气体接触。下表2概述了各主要工艺步骤及其作用：

表2 MEMS气体传感器芯片的制造工艺步骤

（三）关键制造技术

在MEMS气体传感器芯片的制造过程中，采用了一系列关键技术，这些技术的应用显著提升了传感器的性能和功能。微加热器制造是一个核心技术，它依赖于材料和结构设计的优化，以实现快速升温和均匀的温度分布，通过这种方式，微加热器能够有效控制敏感层的温度，确保传感器在不同的环境条件下都能稳定运行，这对于提高传感器的响应速度和准确性至关重要。纳米材料集成则是另一项突破性的技术，它涉及将纳米线、纳米颗粒等高性能材料集成到传感器的敏感层中，这些纳米材料因其高表面积对体积比和独特的物理化学性质，能够显著提升传感器对气体的灵敏度和选择性。3DMEMS技术通过利用深反应离子刻蚀（DRIE）等先进制造技术，允许在硅基衬底上实现复杂的三维结构，这种三维结构设计使得传感器能够在更小的空间内实现更多的功能集成，同时提高了其机械稳定性和电气性能。选择性气体吸附层的开发和应用也是制造过程中的关键一环，通过开发和沉积具有高选择性的气体吸附材料，可以增强传感器对特定气体的响应，同时减少对其他干扰性气体的敏感性，这对于提高传感器的应用灵活性和实用性具有重大意义。最后，微流控结构的集成是提升传感器性能的另一关键技术，通过集成微通道等结构，可以实现气体的预处理和富集，从而优化敏感层的气体接触效率，这不仅提升了传感器的检测灵敏度，还有助于扩展其在复杂气体环境下的应用能力。

三、MEMS气体传感器芯片的产业化领域

（一）环境监测

在环境监测领域，MEMS气体传感器芯片的应用具有广泛的覆盖面，主要集中在空气质量监测、温室气体监测和水质监测三个方面。空气质量监测中，MEMS气体传感器芯片通过检测PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3等污染物，能够实现高密度、实时的空气质量数据采集，这些传感器集成于室内空气质量监测设备和城市空气质量监测网络中，有助于提高环境监测的精度和响应速度。温室气体监测是应对气候变化和碳排放管理的重要手段。MEMS气体传感器芯片可以检测CO2、CH4、N2O等温室气体，能够在大规模、低成本的监测网络中发挥关键作用，其高灵敏度和低能耗特点使得这些传感器能够在气候变化研究和碳排放监测中长期稳定运行，提供精确的数据支持。水质监测是环境保护的重要环节，MEMS气体传感器芯片通过检测溶解氧、氨氮、硫化氢等水质参数，可以实现瞬时、连续的监测，这些传感器应用于河流、湖泊、海洋的水质监测中，能够实时反映水体污染情况，提供及时的预警和治理方案，保障水资源安全。

（二）工业安全

工业安全领域对气体传感器的需求极为迫切，MEMS气体传感器芯片在可燃气体泄漏检测、有毒气体监测和工艺过程控制中具有广泛应用。可燃气体泄漏检测方面，这些传感器可检测CH4、H2、LPG等气体，广泛应用于石油化工、煤矿、天然气管网等场所，其高灵敏度和快速响应特性，可以在气体泄漏的初期及时预警，防止安全事故的发生[4]。有毒气体监测是保护工人健康和环境安全的重要措施，MEMS气体传感器芯片可检测CO、H2S、Cl2、NH3等有毒气体，广泛应用于化工厂、冶金厂、半导体制造等高风险场所，多点、多气体同时监测的能力，使得这些传感器能够全面掌握环境中的有毒气体浓度，提供精准的数据支持，有效避免中毒和环境污染事件。工艺过程控制中，MEMS气体传感器芯片应用于反应气体浓度监测和尾气排放监控，可以耐受高温和抗腐蚀，确保在化学反应器、燃烧系统、尾气处理装置等场景下的稳定工作，实时过程控制的特点，使得这些传感器能够有效调节工艺参数，提高生产效率和产品质量，减少环境污染。

（三）智能家居

智能家居领域，MEMS气体传感器芯片在室内空气质量监测、烟雾报警器和燃气泄漏检测中具有重要应用。室内空气质量监测中，这些传感器能够检测CO2、TVOC、甲醛、PM2.5等参数，被集成到空气净化器、新风系统、智能空调等家电产品中。体积小、功耗低的特点，使得这些传感器能够方便地集成到各种家电设备中，提供实时的空气质量数据，保障家居环境健康。烟雾报警器是家庭防火安全的重要设备，MEMS气体传感器芯片通过检测CO和烟雾颗粒，具有高灵敏度和低误报率的优势，这些传感器可以与智能家居系统联动，实现远程报警功能，提高家庭火灾预警的及时性和有效性，保护家庭财产和人身安全[5]。燃气泄漏检测方面，MEMS气体传感器芯片可检测天然气、液化气等可燃气体，被应用于智能燃气表和家用燃气报警器中，其长寿命和高可靠性的特点，确保了燃气泄漏的及时发现和报警，防止因燃气泄漏导致的爆炸和火灾事故，提升了家庭用气的安全性。

（四）医疗健康

在医疗健康领域，MEMS气体传感器芯片的应用集中在呼吸气体分析、体臭检测和慢性病管理。呼吸气体分析中，这些传感器可以检测CO2、NO、乙醇等气体，被广泛应用于呼吸机、麻醉机和代谢疾病诊断中，实时、无创检测的优势，使得这些传感器能够提供患者呼吸状况的实时数据，辅助医疗设备进行精确控制和治疗。体臭检测是口腔健康评估和皮肤病诊断的一个新兴应用领域，MEMS气体传感器芯片通过检测硫化物、胺类等特征气体，可以开发便携式、家用检测设备，方便个人健康监测和早期疾病诊断，这些传感器的小型化和便携性，极大地方便了用户在家庭环境中的使用[6]。慢性病管理中，MEMS气体传感器芯片可应用于哮喘、糖尿病等慢性病患者的呼气检测，便携、非侵入性的特点，使得这些传感器适合家庭自我监测，帮助患者随时掌握自身健康状况，及时调整治疗方案，提高慢性病管理的效率和效果。

（五）农业和食品安全

在农业和食品安全领域，MEMS气体传感器芯片的应用包括农产品储存监测和食品新鲜度评估。农产品储存监测中，这些传感器可检测乙烯、CO2等气体，被广泛应用于果蔬冷链运输和智能仓储中，通过实时监测存储环境中的气体浓度，这些传感器可以延长农产品的保鲜期，减少损耗，提高农产品的市场价值。食品新鲜度评估中，MEMS气体传感器芯片通过检测挥发性有机化合物（VOCs），可以开发智能包装和食品质量快速检测系统。基于气味指纹的食品安全评估系统，使得这些传感器能够在食品储存和运输过程中实时监控食品的新鲜度，保障食品安全和消费者健康，创新的检测技术，极大地提升了食品安全监测的效率和精度，推动了食品行业的智能化发展。

为了更直观地展示MEMS气体传感器芯片产业化应用情况，下面表3提供一个汇总表格：

表3 MEMS气体传感器芯片的产业化部分应用

四、结论

MEMS气体传感器芯片技术的发展和应用正在推动多个行业的变革。通过不断优化设计、改进制造工艺和开发新型材料，MEMS气体传感器芯片的性能和可靠性得到显著提升。在环境监测、工业安全、智能家居、医疗健康和农业食品安全等领域，这种微型化的传感器芯片展现出独特的优势，为解决环境污染、工业安全隐患、室内空气质量监控等问题提供了有力的技术支持。随着产业化进程的深入，MEMS气体传感器芯片正在成为推动社会向更安全、更健康、更智能方向发展的重要力量。

参考文献：

[1]刘宇航,刘立滨,李平,等.MEMS气体传感器芯片,传感器及传感器的制备方法.CN201810400193.8.

[2]木村哲平,铃木弘明,寺泽和雄.MEMS气体传感器及MEMS气体传感器的制造方法:CN201980066186.1.

[3]张成印,雷程,梁庭,等.微型化FAIMS气体传感器的制备与测试[J].微纳电子技术,2021,58(3):26.

[4]周李兵.基于MEMS工艺微气体传感器结构与工艺设计[J].精品,2020(21):236.

[5]侯慧健,余伟霖,林永明.《智能家电用金属氧化物MEMS气体传感器》团标解读[J].日用电器,2023(3):20-23.

[6]郭建修.用于室内空气质量监测的MEMS传感器阵列研发[D].华中科技大学,2021(2):23.