基于MEMS的微结构气敏传感器技术创新

1.硅基微结构气敏传感器

衬底为硅，敏感层为非硅材料的微结构气敏传感器，统称为硅基微结构气敏传感器，它是当前微结构气敏传感器的主流。

（1）金属氧化物半导体或聚合物电导型气敏传感器

这类气敏传感器的敏感材料是金属氧化物半导体或导电聚合物。当这些敏感材料暴露在待测气体中时，气体会和它们发生作用，引起器件电阻或电导发生变化，给出包含气体成分和浓度的电信号，这种信号经过信号处理电路处理后，就能识别气体的成分和浓度。

使用最多的金属氧化物半导体是二氧化锡。其次是二氧化钛、氧化锌、氧化钨和氧化铱等。为了提高气敏传感器的灵敏度和选择性，在金属氧化物中一般要有意识地掺入适量催化剂，如钯、铂或其他合适的金属氧化物，如氧化镁、氧化铜等。用得较多的导电聚合物是聚吡咯、聚噻吩、聚吲哚、聚呋喃等。这类微结构气敏传感器十分适合于使用MEMS技术来制造。下面以二氧化锡电导型微结构气敏传感器为例，简要说明其制作工艺。图10-35所示是二氧化锡微结构气敏传感器的结构和工艺流程示意图。

如图10-35所示中，1为生长SiO₂膜；2为扩硼；3为扩磷；4为形成欧姆电极；5为背面腐蚀；6为沉积SiO₂敏感膜。从图中可看到，利用硅芯片制作了硼扩散电阻加热器和PN结二极管测温元件。制作加热器和测温元件的目的是按要求控制气敏传感器的工作温度，提高其敏感特性。为了减少器件的热容量从而降低功耗，采用了MEMS技术特有的牺牲层工艺，从背面将芯片选择性地减薄。美国C-W储备大学爱迪生传感器技术中心开发的这种传感器的工艺参数为：N型[100]硅芯片厚250μm，经过牺牲层工艺减薄到6μm；二氧化锡膜和硅芯片电隔离的二氧化硅膜厚0.5μm；叉指状欧姆接触金电极厚0.3μm；二氧化锡敏感膜由金属有机物沉积（MOD）法制作，在100～130℃下干燥0.5h后，再在300℃下空气中热处理1h，然后用标准光刻工艺得到所需的图案；必要的信号处理电路和读出电路制作在同一硅芯片的邻近区域。

图10-35 二氧化锡微结构气敏传感器的结构和工艺流程示意图

导电聚合物微结构气体敏传感器的结构和工艺与金属氧化物半导体的相似，由于导电聚合气敏传感器在室温下工作，故不必制作加热和测温元件，硅芯片也不需要减薄。

（2）固体电解质气敏传感器

这类传感器有电流型和电压型两种。电流型的灵敏度高，测量范围大，温漂小。它的输出电流和敏感性能与电极尺寸关系密切。使用MEMS技术能精确控制电极尺寸，能保证电流型固体电解质气敏传感器的优异性能。

这里以硅基微结构稳定氧化锆电流型氧传感器为例，简要介绍这种传感器的制作工艺。这里以250μm厚的N型[100]硅芯片作衬底，在其上淀积0.5μm厚的二氧化硅膜作电绝缘层。由于稳定氧化锆要在600℃高温下工作，所以在二氧化硅膜上淀积0.3μm厚的铂膜作加热器和测温元件。再淀积一层电绝缘层后，在其上用离子束镀膜技术制作厚约0.5μm的钇稳定氧化锆膜作固体电解质。最后用牺牲层工艺，将芯片从背面选择性地减薄到6～10μm厚。这种微结构氧传感器在700℃下工作，功耗小于2W。

（3）电容型气敏传感器

微结构电容型气敏传感器实际上是用MEMS技术制作在硅芯片上的叉指状电容器，电容器的介质是能吸附待测气体的聚合物薄膜。聚合物介质吸收待测气体后，介质的介电常数发生变化，电容器的电容也跟着发生变化。由于电容的变化与待测气体的介电常数及待测气体与聚合物的作用这两个因素都有关，故这种气敏传感器的选择性很好。为了提高灵敏度，在硅芯片上制作了两个完全相同的电容器：敏感电容器，介质为特殊聚合物；参考电容器，介质为空气（未淀积聚合物）。由它们组成高分辨率的电荷比较电路来提高传感器的灵敏度。瑞士联邦技术研究所用MEMS技术开发的这种微结构气敏传感器，对许多有机化合物气体十分敏感。这种传感器也需要加热器和测温元件，其制作工艺与金属氧化物半导体微结构气敏传感器的类似。

2.硅微结构气敏传感器(www.xing528.com)

（1）MOSFET型气敏传感器

这种微结构气敏传感器的制造工艺和MOS集成电路工艺基本上是相同的，只是MOS-FET栅电极材料不同。MOS集成电路的MOSFET栅电极材料通常是金属铝，而MOSFET型微结构气敏传感器中的MOSFET栅电极材料是对待测气体敏感的材料，如钯、铱、碘化钾等。其工作原理是：当栅电极暴露在待测气体中时，栅电极材料与待测气体作用而引起MOSFET阈值电压的变化，分析这种变化就可知道待测气体的浓度。当栅电极为钯时，对氢气很敏感；当栅电极为铂、铱时，对含氢化合物气体NH₃、H₂S和乙醇蒸气很敏感；当栅电极为碘化钾时，可检测臭氧。

（2）MIS二极管型氢敏传感器

MIS二极管的伏安特性对氢气很敏感，当氢气浓度改变时，其伏安特性会发生明显的变化，因而可利用它来检测氢气。美国C-W储备大学开发了带有加热器和测温元件的MIS二极管型微结构氢敏传感器。为了提高灵敏度和耐久性，电极金属用钯—银合金代替钯；用集成电路工艺制造出加热器、测温元件和MIS二极管；最后用牺牲层工艺从背面将硅芯片选择性地减薄。

这种测氢二极管在正偏或反偏状态下都可测氢气的浓度：用恒流源正偏置MIS二极管，其正偏压降可定量显示氢气的浓度；用恒压源反偏置MIS二极管，其反向漏电流可定量显示氢气的浓度。

3.气敏传感器的应用

（1）家用煤气、液化石油气泄漏报警器

这种家用煤气、液化石油气泄漏报警器有不少型号可供选择。如图10-36所示为一种简单、廉价的家用煤气、液化石油气泄漏报警器电路。该电路能承受较高的交流电压，因此可直接由220V市电供电，且不需要再加复杂的放大电路，就能驱动蜂鸣器等来报警。由该电路的组成可见，蜂鸣器与气敏传感器QM-N6的等效电阻构成了简单串联电路，当气敏传感器探测到泄漏气体（如煤气、液化石油气）时，随着气体浓度的增大，气敏传感器QM-N6的等效电阻降低，回路电流增大，超过危险的浓度时，蜂鸣器发声报警。

（2）城市煤气报警器

这种报警器的气敏元件广泛使用氧化锡，它对甲烷类碳氢化合物的灵敏度非常高，但对酒精等也很敏感。人们希望有一只气体传感器能检测出煤气又不致因酒精存在而误报警；既适用于各城市有所差别的煤气报警，又能对煤气爆炸浓度及对不完全燃烧的CO中毒危险浓度报警。基于这种需要，人们研制了这种类型的报警器，其中之一是一种由厚膜混合电路气体传感器和单片微处理机构成的新型城市用煤气报警器。这种报警器把对甲烷最敏感的氧化锡厚膜、对一氧化碳最敏感的氧化钨厚膜和对酒精特别敏感的镍酸镧厚膜集成在同一块三氧化二铝陶瓷基片上，如图10-37所示。经过单片微处理机对信号进行处理，可分别对甲烷、一氧化碳、酒精等发出报警信号。

图10-36 家用煤气、液化石油气泄漏报警器电路

图10-37 厚膜混合电路气体传感器的结构