盡管我們無法看到它或聞到它，但空氣污染卻實(shí)實(shí)在在的對我們的健康產(chǎn)生威脅?？諝馕廴镜姆N類很多，包括顆粒物污染（PM2.5、PM10）、溫室氣體（CO2、CH4）以及有毒有害氣體（VOC、CO、NOx、SOx、H2S）等。現(xiàn)在，由政府支持的空氣監(jiān)測站正在跟蹤并記錄空氣污染狀況。

 

盡管這些儀器設(shè)備能夠收集很多高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，但是，它們價(jià)格昂貴且維護(hù)成本很高，而且僅能分析有限的空氣樣本，常常由于安裝位置不佳僅能覆蓋較小的區(qū)域，此外，它們還不能提供任何時(shí)間信息。隨著對環(huán)境空氣質(zhì)量信息的本地化需求增長，氣體傳感器市場正在發(fā)生巨變。

 

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，全球氣體傳感器市場規(guī)模到2021年預(yù)計(jì)將增長至9.2億美元，未來幾年的復(fù)合年增長率為7.3%，如果未來氣體傳感器在消費(fèi)類產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用，那么前景將更加樂觀，2021年的市場規(guī)模有可能突破10億美元。

 

在此背景下，現(xiàn)有的氣體傳感器技術(shù)正面臨新需求和新技術(shù)所帶來的各種挑戰(zhàn)，例如大幅縮小器件尺寸、更低的功耗、提高的靈敏度、不同類型氣體的探測能力以及更低的單位成本。氣體傳感未來將無處不在，這為采用MEMS技術(shù)的微型化氣體傳感器件創(chuàng)造了無限商機(jī)。

 

 

Sensirion（盛思銳）最新款氣體傳感器SGP30逆向分析。作為全球最小的數(shù)字氣體傳感器SGP家族的新產(chǎn)品，SGP30是第一款單一芯片上集成多個(gè)傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器，可提供空氣質(zhì)量的詳細(xì)信息，如二氧化碳（CO2）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的含量（來源：《Sensirion氣體傳感器：SGP30》）氣體傳感器根據(jù)其運(yùn)行原理可以分為催化法、電化學(xué)法、化學(xué)場效應(yīng)晶體管、諧振式、金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）、紅外（IR）、色譜法、光電離以及化學(xué)發(fā)光法等。

 

基于MOS的氣體傳感器最適于對成本敏感的低功耗應(yīng)用，例如一次性醫(yī)療應(yīng)用、智能家居以及消費(fèi)類應(yīng)用等。MOS氣體傳感器通過測量金屬氧化物由于吸附氣體所造成的電阻變化，實(shí)現(xiàn)各種氣體濃度的探測。其機(jī)理為，目標(biāo)氣體的出現(xiàn)造成MOS表面大氣氧濃度降低，使電導(dǎo)帶中具有更多的電子，改變了半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。這種電阻變化是可逆的，并根據(jù)傳感材料的反應(yīng)活性、催化材料的使用以及傳感器工作溫度而變化。MEMS技術(shù)利用薄膜制造工藝制得加熱元件和傳感元件，使MOS傳感器縮小到僅一顆單芯片大小。深反應(yīng)離子刻蝕為加熱元件和傳感元件提供了熱隔離。

 

MEMS技術(shù)為MOS氣體傳感器帶來了更低的功耗（持續(xù)運(yùn)行時(shí)僅為數(shù)十個(gè)毫瓦），基于晶圓的制造工藝實(shí)現(xiàn)了更低的成本、可重復(fù)制造性、規(guī)模制造能力以及更高的靈敏度。MOS器件適合與ASIC電路集成，以及采用芯片級(jí)尺寸封裝，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和傳感器陣列。金屬氧化物半導(dǎo)體材料可以以厚膜或薄膜進(jìn)行沉積，最常見的涂層材料為SnO2，目標(biāo)氣體為VOC和CO。厚膜（膜厚3~10 um）進(jìn)行多孔處理，以提高比表面積。通常將厚膜沉積并進(jìn)行燒結(jié)（滴涂或印刷）。而另一方面，薄膜型（表面效應(yīng)占主導(dǎo)地位的亞微米級(jí)厚度）通常采用濺射沉積。

 

薄膜具有更快的響應(yīng)速度和恢復(fù)時(shí)間。Micralyne從其客戶了解到市場對微型氣體傳感器標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建模塊的需求不斷增長。為了更好的支持客戶，Micralyne積極擴(kuò)展其工藝和平臺(tái)供應(yīng)，提供超小型低功耗氣體傳感架構(gòu)。如下圖1所示，Micralyne的新平臺(tái)可提供集成小至1 x 1 mm微熱板的MOS氣體傳感器。

 

 

圖1：具有集成電極和傳感薄膜的MEMS MOS氣體傳感器芯片，SiN和SnO2層為透明結(jié)構(gòu)MOS氣體傳感器的運(yùn)行特性主要由金屬氧化物表面的表面反應(yīng)主導(dǎo)。由目標(biāo)氣體引起的MOS材料電阻的變化可以用一個(gè)簡單的分壓器電路和一個(gè)參考電阻來測量。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Micralyne的平臺(tái)提供多種作為傳感層的金屬氧化物薄膜可供選擇，包括SnO2、TiO2、ZnO、In2O3以及碳納米結(jié)構(gòu)膜。

 

傳感層可以包含Pd、Pt或其它金屬氧化物催化劑，以提高傳感器的靈敏度。此外，通過控制晶粒結(jié)構(gòu)和比表面積，可以實(shí)現(xiàn)傳感性能的最大化。該平臺(tái)包括一款電極結(jié)構(gòu)以連接傳感層和電路，提供多種金屬化可選方案，通常包括Au、Al或Pt。該平臺(tái)還包括了一款芯片內(nèi)的集成微加熱器，可加熱至200°C ~ 400°C最優(yōu)的傳感溫度。并通過下方硅去除的懸浮介電薄膜實(shí)現(xiàn)熱隔離。

 

Micralyne對其MEMS MOS氣體傳感器的傳感響應(yīng)，與傳統(tǒng)厚膜傳感器做了對比。在相對濕度32%，空氣中乙醇含量800ppm時(shí)，其MEMS MOS氣體傳感器達(dá)到和更大尺寸的厚膜傳感器（初始電阻和測試電阻比18：1）相近的靈敏度。對于所有的MOS傳感器，都必須考慮相對濕度，因?yàn)樵搮?shù)也會(huì)影響傳感器的電阻變化。Micralyne的MEMS MOS氣體傳感器還可以探測600~2000 ppm的甲苯，初始電阻和測試電阻比高至8：1。其MEMS傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于1秒。并且，在氣流中移除被分析氣體后，電阻恢復(fù)速度要比傳統(tǒng)厚膜氣體傳感器快2倍。

 

 

圖2：MEMS MOS氣體傳感器的靈敏度 vs. 傳統(tǒng)厚膜器件據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，Micralyne的MEMS MOS平臺(tái)可針對消費(fèi)類和IoT市場快速開發(fā)商業(yè)化的低功耗、超微型氣體傳感器。MOS器件的靈敏度主要取決于材料和運(yùn)行參數(shù)的選擇。這些傳感器可以進(jìn)行局部環(huán)境空氣質(zhì)量的量化，這對于實(shí)現(xiàn)個(gè)人實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測至關(guān)重要。

 

 

圖3：基于晶圓制造的MOS氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、降成本、可重復(fù)制造和規(guī)模制造的優(yōu)勢利用這些特性，將多個(gè)傳感器薄膜集成在一顆芯片上，可提高傳感器對氣體種類的選擇性。

 

Micralyne平臺(tái)根據(jù)氣體類型、濃度范圍和不同應(yīng)用的成本考量，為氣體傳感器設(shè)計(jì)商提供了多種選擇。這些器件可以方便的和ASIC封裝在一個(gè)芯片級(jí)封裝中，ASIC可用于控制器件、增加無線互聯(lián)等額外功能。Micralyne的MEMS技術(shù)平臺(tái)可提供MEMS設(shè)計(jì)的模塊化方法，并通過半定制設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原型開發(fā)，加速度量產(chǎn)進(jìn)度，降低MEMS研發(fā)成本，縮短MEMS產(chǎn)品上市時(shí)間。