盡管我們無(wú)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(lèi)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?，F在，由政府支持的空氣監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(zhì)量的數據，但是，它們價(jià)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域，此外，它們還不能提供任何時(shí)間信息。隨著(zhù)對環(huán)境空氣質(zhì)量信息的本地化需求增長(cháng)，氣體傳感器市場(chǎng)正在發(fā)生巨變。

 

據麥姆斯咨詢(xún)報道，全球氣體傳感器市場(chǎng)規模到2021年預計將增長(cháng)至9.2億美元，未來(lái)幾年的復合年增長(cháng)率為7.3%，如果未來(lái)氣體傳感器在消費類(lèi)產(chǎn)品中獲得廣泛應用，那么前景將更加樂(lè )觀(guān)，2021年的市場(chǎng)規模有可能突破10億美元。

 

在此背景下，現有的氣體傳感器技術(shù)正面臨新需求和新技術(shù)所帶來(lái)的各種挑戰，例如大幅縮小器件尺寸、更低的功耗、提高的靈敏度、不同類(lèi)型氣體的探測能力以及更低的單位成本。氣體傳感未來(lái)將無(wú)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(wú)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(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)量的詳細信息，如二氧化碳（CO2）和揮發(fā)性有機化合物（VOC）的含量（來(lái)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(xué)法、化學(xué)場(chǎng)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(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用，例如一次性醫療應用、智能家居以及消費類(lèi)應用等。MOS氣體傳感器通過(guò)測量金屬氧化物由于吸附氣體所造成的電阻變化，實(shí)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(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(lái)了更低的功耗（持續運行時(shí)僅為數十個(gè)毫瓦），基于晶圓的制造工藝實(shí)現了更低的成本、可重復制造性、規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(shí)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(jìn)行沉積，最常見(jiàn)的涂層材料為SnO2，目標氣體為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（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(shí)間。Micralyne從其客戶(hù)了解到市場(chǎng)對微型氣體傳感器標準化構建模塊的需求不斷增長(cháng)。為了更好的支持客戶(hù)，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(gè)簡(jiǎn)單的分壓器電路和一個(gè)參考電阻來(lái)測量。據麥姆斯咨詢(xún)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(guò)控制晶粒結構和比表面積，可以實(shí)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(guò)下方硅去除的懸浮介電薄膜實(shí)現熱隔離。

 

Micralyne對其MEMS MOS氣體傳感器的傳感響應，與傳統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(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，電阻恢復速度要比傳統厚膜氣體傳感器快2倍。

 

 

圖2：MEMS MOS氣體傳感器的靈敏度 vs. 傳統厚膜器件據麥姆斯咨詢(xún)報道，Micralyne的MEMS MOS平臺可針對消費類(lèi)和IoT市場(chǎng)快速開(kāi)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(jìn)行局部環(huán)境空氣質(zhì)量的量化，這對于實(shí)現個(gè)人實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量監測至關(guān)重要。

 

 

圖3：基于晶圓制造的MOS氣體傳感器實(shí)現了微型化、降成本、可重復制造和規模制造的優(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(lèi)的選擇性。

 

Micralyne平臺根據氣體類(lèi)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(gè)芯片級封裝中，ASIC可用于控制器件、增加無(wú)線(xiàn)互聯(lián)等額外功能。Micralyne的MEMS技術(shù)平臺可提供MEMS設計的模塊化方法，并通過(guò)半定制設備快速實(shí)現產(chǎn)品原型開(kāi)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。