盡管我們無法看到它或聞到它，但空氣污染卻實實在在的對我們的健康產生威脅?？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。

 

盡管這些儀器設備能夠收集很多高質量的數據，但是，它們價格昂貴且維護成本很高，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間信息。隨著對環(huán)境空氣質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。

 

據麥姆斯咨詢報道，全球氣體傳感器市場規(guī)模到2021年預計將增長至9.2億美元，未來幾年的復合年增長率為7.3%，如果未來氣體傳感器在消費類產品中獲得廣泛應用，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，現有的氣體傳感器技術正面臨新需求和新技術所帶來的各種挑戰(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技術的微型化氣體傳感器件創(chuàng)造了無限商機。

 

 

Sensirion（盛思銳）最新款氣體傳感器SGP30逆向分析。作為全球最小的數字氣體傳感器SGP家族的新產品，SGP30是第一款單一芯片上集成多個傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器，可提供空氣質量的詳細信息，如二氧化碳（CO2）和揮發(fā)性有機化合物（VOC）的含量（來源：《Sensirion氣體傳感器：SGP30》）氣體傳感器根據其運行原理可以分為催化法、電化學法、化學場效應晶體管、諧振式、金屬氧化物半導體（MOS）、紅外（IR）、色譜法、光電離以及化學發(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用，例如一次性醫(yī)療應用、智能家居以及消費類應用等。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，實現各種氣體濃度的探測。其機理為，目標氣體的出現造成MOS表面大氣氧濃度降低，使電導帶中具有更多的電子，改變了半導體的電導率。這種電阻變化是可逆的，并根據傳感材料的反應活性、催化材料的使用以及傳感器工作溫度而變化。MEMS技術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。深反應離子刻蝕為加熱元件和傳感元件提供了熱隔離。

 

MEMS技術為MOS氣體傳感器帶來了更低的功耗（持續(xù)運行時僅為數十個毫瓦），基于晶圓的制造工藝實現了更低的成本、可重復制造性、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，以及采用芯片級尺寸封裝，實現更高的集成度和傳感器陣列。金屬氧化物半導體材料可以以厚膜或薄膜進行沉積，最常見的涂層材料為SnO2，目標氣體為VOC和CO。厚膜（膜厚3~10 um）進行多孔處理，以提高比表面積。通常將厚膜沉積并進行燒結（滴涂或印刷）。而另一方面，薄膜型（表面效應占主導地位的亞微米級厚度）通常采用濺射沉積。

 

薄膜具有更快的響應速度和恢復時間。Micralyne從其客戶了解到市場對微型氣體傳感器標準化構建模塊的需求不斷增長。為了更好的支持客戶，Micralyne積極擴展其工藝和平臺供應，提供超小型低功耗氣體傳感架構。如下圖1所示，Micralyne的新平臺可提供集成小至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層為透明結構MOS氣體傳感器的運行特性主要由金屬氧化物表面的表面反應主導。由目標氣體引起的MOS材料電阻的變化可以用一個簡單的分壓器電路和一個參考電阻來測量。據麥姆斯咨詢介紹，Micralyne的平臺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以及碳納米結構膜。

 

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，通過控制晶粒結構和比表面積，可以實現傳感性能的最大化。該平臺包括一款電極結構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。該平臺還包括了一款芯片內的集成微加熱器，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現熱隔離。

 

Micralyne對其MEMS MOS氣體傳感器的傳感響應，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，其MEMS MOS氣體傳感器達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，因為該參數也會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傳感器的響應時間小于1秒。并且，在氣流中移除被分析氣體后，電阻恢復速度要比傳統(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)厚膜器件據麥姆斯咨詢報道，Micralyne的MEMS MOS平臺可針對消費類和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行參數的選擇。這些傳感器可以進行局部環(huán)境空氣質量的量化，這對于實現個人實時空氣質量監(jiān)測至關重要。

 

 

圖3：基于晶圓制造的MOS氣體傳感器實現了微型化、降成本、可重復制造和規(guī)模制造的優(yōu)勢利用這些特性，將多個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平臺根據氣體類型、濃度范圍和不同應用的成本考量，為氣體傳感器設計商提供了多種選擇。這些器件可以方便的和ASIC封裝在一個芯片級封裝中，ASIC可用于控制器件、增加無線互聯等額外功能。Micralyne的MEMS技術平臺可提供MEMS設計的模塊化方法，并通過半定制設備快速實現產品原型開發(fā)，加速度量產進度，降低MEMS研發(fā)成本，縮短MEMS產品上市時間。