MEMS-气体传感器简介

BriefintroductiontotheprinciplesofMEMSgassensor———CompositionofgassensorSummaryGasdetectioninpeople'sproductionlifeapplicationsisveryextensive,especiallyintheaspectsofsafetyinproduction,suchas,mineoperation,gasproductionandtransportation.Gassensorisdirectlyrelatedtopeople'slifeandpropertysafety.Microelectromechanicalsystems(MEMS)technologyisthemicrodevicemanufacturingmethodbasedonthedevelopmentofmicroelectronictechnology,firstintheaccelerometer(加速度计),apressurepickup(压力传感器)field.WiththeincreaseoffilmtechnologywithThinfilmtechnology(薄膜技术)development,inrecentyearstheMEMSsensorshavebeenwidelyconcernedinthechemicalgasdetection.Theprincipleofclassification：1)根据气体自身的光声学和光学特性,结合MEMS结构制作的传感器,代表种类有声光光谱法（hotoacousticspectroscopy）和光谱法（spectroscopicmethodology）;2)采用气体敏感膜的化学吸附机理,代表种类有电导变化型（Thevariationoftheconductivitytype）、悬臂梁型（Cantileverbeamtype）和声表面波型（Surfaceacousticwave）;3)针对易燃易爆气体,采用的催化燃烧式检测（Catalyticcombustiontypedetection）;4)从离子迁移谱原理改进而来的高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术。1、BasedonthegasselfphotoacousticspectroscopyandopticalpropertiesofMEMSgassensor1.1气体声光效应法气体的光声效应(photoacousticspectroscopy)早在1880年就由贝尔发现,但直到20世纪80年代,随着激光器和高灵敏麦克风技术的成熟,才在气体传感器领域得到研究。光声气体传感器由调制光源（modulatedlightsource）、光声池（photoacousticcell）、高灵敏麦克风（Highsensitivemicrophone）系统3个主要部分组成(如图1)。图1光声效应气体传感器结构图Theprincipleofprocess:1)特定调制频率的光源照射气体,使气体分子处于激发态;2)受激的气体分子以碰撞的方式释放吸收的能量;3)气体碰撞产生热效应;4)气体受热膨胀产生热声波,其频率与调制光频率相同;5)高灵敏麦克风对热声波进行采样；光声效应气体传感器其灵敏度与尺寸成反比,因此,目前多采用半导体激光器做微型调制光源,MEMS技术制作光声池（photoacousticcell）和微型高灵敏度麦克风（Microhighsensitivitymicrophone）。LedermannN等人针对这种检测方法采用压电微悬臂梁（Piezoelectricmicrocantileverbeam）的原理制作了高灵敏麦克风,瑞士BessonJP等人研究的MEMS气体传感器对甲烷可以实现0.5×10–6ppm的检测,对氯化氢气体可以检测3×10–6ppm。注：ppm/一百万体积的空气中所检测物的体积数1.2气体光谱法气体的光谱效应有吸收光谱法（absorptionspectroscopy）、荧光光谱法（fluorescentspectrometry）和拉曼光谱法（ramanspectrometry）。MEMS气体光谱仪的核心元件是可调节光学滤镜（Braggreflector）,图2为采用德国慕尼黑大学的红外光气体传感器制作的气体光谱仪原理。该光谱仪利用金属与硅的热膨胀率不同实现对Bragg镜角度的变化,从而实现光谱分析。图2MEMS气体光谱仪原理图2、Gassensorssensitivematerialsbasedonadsorptionprinciple金属氧化物(如,ZnO,SnO,TiO2),还有掺杂有机高分子聚合物对特定的一类气体有溶解吸附效应（Solutionadsorptioneffect）,称其为气体敏感材料（Gassensitivematerials）。气体敏感材料吸附了气体分子以后,其材料特性会发生物理化学变化,如,电阻率改变、热效应出现、密度改变等。对于这一原理的应用,也是MEMS气体传感器的一大研究方向。2.1声表面波（SAWSurfaceAcousticWave）型气体传感器2.2电导型气体传感器2.3谐振式微悬臂梁气体传感器2.1声表面波型气体传感器图3SAW气体传感器原理图比较电路产生声表面波接收声表面波3、Gassensorforinflammableandexplosivegascatalyticcombustion催化燃烧式气体传感器的原理源自宏观的气体传感器,主要用于甲烷,CO等易燃易爆气体检测领域。通过MEMS技术将催化剂制做为薄膜,对其加热。当空气中有易燃易爆气体存在时,气体分子在催化剂表面发生催化氧化反应（catalyticoxidationreaction）,并放出热量。经过热敏元件将温度变化转换为电信号,与参比薄膜进行比对得到气体体积分数变化,热敏元件常用热敏电阻器,常用催化剂有氧化Pd,Pt等。MEMS工艺实现催化剂薄膜化、微型化,并对加热电极、热敏元件进行集成,从而有效减小传感器的体积。4、高场非对称波形离子迁移谱(FieldAsymmetricIonMobilitySpectrometry)技术气体传感器FAIMS技术是基于离子迁移谱技术(IMS)发展而来,原理如图4。载气与样品混合电离后经过离子门送到离子飘移区,在高压(大于11000V/cm)交变电场的作用下,不同离子的迁移速度为非线性(nonlinear)变化,这种变化与离子自身特性有关,因此,高电场可以区分低电场迁移相近的离子。对于交变电场再增加一个直流偏置电压,抵消待检测气体离子的高电场迁移效果,即可使得特定离子通过飘移区达到检测电极。在样品检测过程中对直流偏置电压进行扫描即可分析样品气体中的成分。图4FAIMS气体传感器原理Thankyou!Hereisaquestionoftime.