- 新型基于 MEMS 的 CO2 氣體傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2022/3/28
氣體傳感器在環境監測項目中變得越來越重要，并且越來越多地用于工業過程的安全監測。因此，對堅固耐用、低成本的氣體傳感器的需求正在上升。
圖片來源：Olivier Le Moal/Shutterstock.com
在最近的一項研究中，劍橋大學的工程師展示了一種由 CMOS 微熱板和 MEMS 麥克風制成的小型熱聲氣體傳感器，認為他們的新型設備可以滿足對氣體傳感器不斷增長的需求。
氣體傳感如何工作？
氣體傳感越來越重要。特別是，CO 2傳感對于環境監測和工業安全都很重要。CO 2是一種窒息性氣體，當人體接觸濃度超過 70,000 ppm (7%) 時，會在幾分鐘內導致窒息和失去知覺。氣體傳感器用于檢測大氣污染物的危險水平，包括 CO 2、二氧化氮 ( NO 2 ,) 和揮發性烴類如苯 (C 6 H 6 .)
目前沒有通用的氣體傳感方法，但大多數常見的氣體傳感器類型利用各種轉換效應，例如氣體引起的材料電學、光學、物理和熱質量的變化。
化學電阻器控制暴露于氧化或還原氣體的半導體金屬氧化物 (MOx) 層的電導率變化。化學電阻器用于低成本、低功耗應用，例如便攜式空調 (A/C) 裝置。化學電阻器對有機化合物高度敏感，但選擇性差，不能感應CO 2。
光學傳感器檢測中紅外 (MIR) 光譜中的吸收線。這種包括光聲傳感器的類型確實解決了化學電阻器面臨的一些限制。由于對CO 2敏感，光學傳感器是目前用于CO 2監測的主要類型，也用于傳感其他氣體。然而，光學傳感器的應用目前受到相對較高的制造成本的限制，特別是對于芯片級設備。
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最近實驗性地報道了更便宜的替代氣體傳感器技術。這些基于 CMOS 熱導率傳感器，可以利用不同氣體之間的熱導率差異。
用于 CO 2檢測的新型微型熱聲氣體傳感器
來自英國劍橋大學和 Flusso Ltd（一家成立于 2016 年的劍橋衍生公司，旨在將創新傳感器技術商業化）的工程師團隊最近在《科學報告》雜志上展示了一種新穎的氣體傳感器設計和使用該設備實現的實驗結果.
該氣體傳感器由互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 微熱板和微機電系統 (MEMS) 麥克風制成，可用作熱聲氣體傳感器。傳感器檢測熱聲轉換效率的變化，這取決于氣體的物理特性。它將有源傳感元件（MEMS 麥克風）與參考相結合，以補償噪聲。
熱聲系統在氣體中產生聲波，并且以前已被用作將熱聲功率轉換為電能的換能器和組件。然而，到目前為止，將該技術用作氣體傳感器的工作很少。
CMOS 是一種小型化制造工藝，它使用金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 實現邏輯功能。它通常用于制造集成電路（IC）芯片，例如微處理器和存儲芯片。CMOS 器件通常具有高抗噪性和低靜態功耗，使其非常適合無源傳感應用。
MEMS 是具有移動部件的微型設備。MEMS器件的尺寸一般在20μm到1000μm之間（0.02mm到1.0mm），它們的元件尺寸在1μm到100μm之間（或0.001mm到0.1mm）。最終芯片的尺寸僅為 1.08 mm × 1.08 mm × 0.38 mm。
與目前可用的其他光聲氣體傳感器不同，新傳感器不需要氣體封裝的麥克風或濾光片。它還受益于 CMOS 技術：生產可擴展，器件成本低，并且可以有效地小型化。
該論文的作者說，例如，氣體傳感器可用于工業工廠的氣體泄漏檢測。
該傳感器具有由二氧化硅 (SiO 2 ) 制成的圓形膜，厚度為 4.6 μm，直徑為 600 μm。直徑為 300 μm 的鎢 (W) 微型加熱器嵌入 SiO 2膜中。W 具有非常高的熔點 (3,400 °C) 和對電遷移的低敏感性。這使得傳感器具有穩定的電熱性能。
通過使用深度反應離子蝕刻 (DRIE) 技術形成的膜，加熱器與器件的硅 (Si) 基板材料熱隔離。
該傳感器是通過將微型加熱器芯片安裝在模擬商用現成 MEMS 麥克風的端口上方來構造的。配置簡單，微型（非共振）。
工程師使用芯片安裝墊將微型加熱器芯片機械固定到麥克風基板上，從而在芯片的蝕刻膜和麥克風端口之間形成聲學腔。芯片安裝墊之間的小開口（約 500 μm × 50 μm）允許氣體擴散到腔中。
在室溫下，該設備的加熱器軌道的電阻為 39 Ω。嵌入在 SiO 2膜中的p+ - n+ 結熱二極管使微型加熱器芯片能夠監測其自身的工作溫度。
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