基于MEMS技术的气体微传感器设计与研究

基于MEMS的新型微结构气敏传感器主要有硅基微结构气敏传感器和硅微结构气敏传感器。硅微结构气敏传感器主要是金属氧化物-半导体-场效应管（MOSFET）型和钯金属—绝缘体—半导体（MIS）二极管型。硅基微结构气敏传感器是一种微结构气敏传感器，其衬底为硅，敏感层为非硅材料，主要有金属氧化物半导体型、固体电解质型、电容型和谐振器型。MEMS技术将传感器与IC电路进行集成，精度相对较高，体积相对较小，质量相对较轻，功耗相对较低，选择性相对较好，稳定性相对较高，同种器件之间具有良好的互换性，可以进行批量生产，所以可作为传感器工艺的发展方向，另外，几乎所有的传感器都可行MEMS技术生产。

（一）氢敏MOS场效应管传感器

1.原理与结构

氢敏MOS场效应管（MOSFET）与普通MOSFET的区别在于栅极G用的是Pd，故又称氢敏场效应管为Pd-MOSFET。

Pd对氢气（H2）有很强的吸收和溶解性，因此氢分子被吸附到栅极上后迅速分解为氢原子，在Pd-SiO2界面上形成氢原子层，引起Pd功函数改变，从而改变MOSFET的阈值电压UT。此阈值电压的变化和器件特性反映了氢气的体积分数，因此通过测量无氢气和有氢气2种环境下的瞬时值，可测得氢气的体积分数。

设在无氢气的环境下，晶体管的阈值电压为UT0。有氢气存在时，晶体管的阈值电压降低为UTa，晶体管的阈值电压变化量为ΔUT，氢气的体积分数为PH。ΔUT和PH的值与测量环境中有无氧气有关。当测量环境中无氧气存在时，有

若测量环境中有氧气存在，则关系式就复杂一些，变成

式中：k、A为常数，0.5≤a≤1.0；ΔUM为晶体管的最大阈值电压变化量；PH、PO分别为氢气和氧气的体积分数。

2.MOSFET气敏传感器的特性

（1）灵敏度：气敏MOSFET的灵敏度定义为器件阈值电压与气体体积分数的关系。当有氧气存在时，氢分子和氧分子在Pd表面发生化学反应，生成水分子，由于水分子吸附在Pd表面，使氢的覆盖系数减小。氧气密度越大，氢的覆盖系数越小，从而影响了器件的灵敏度。

（2）温度特性：氢气敏感传感器在室温和惰性气体中，有一定的灵敏度，但响应时间或恢复时间太长。通过实验得到，Pd栅气敏MOSFET的工作温度最好选择在150℃附近。

（3）响应特性：Pd栅气敏MOSFET的阈值电压会因为气体浓度产生阶跃型变化，随着时间变化，趋于稳定值。可以用响应时间和恢复时间来描述的气敏MOSFET的响应特性决定了这种变化。响应时间指的是器件从氢气阶跃变化开始直到稳定值的95%经历的时间。恢复时间是器件的气体环境突然从氢气变为空气，器件输出达到稳定值的95%时消耗的时间。(www.xing528.com)

（4）稳定性：Pd栅气敏MOSFET的阈值电压从ΔUT随时间发生漂移现象，主要有2方面因素决定其稳定性，分别是气敏传感器Pd栅膜层的鼓包现象和Pd-SiO2-Si结构在氢气中的滞后现象。由于这种传感器刚刚成形，它的特性还没有那么稳定，因此还不能用Pd-MOSFET定量检测氢气的体积分数。只能用于H2的泄漏检测。

（二）MIS二极管型氢敏传感器

MIS二极管的伏安特性对氢气比较敏感，也就是说，当改变氢气体积分数时，伏安特性会明显发生改变，所以可用于氢气的检测。加热器和测温元件是MIS二极管型微结构氢敏传感器的2个部分，这种传感器是由C-W储备大学开发的，它与之前的传感器相比，在电极金属上做了改动，将原来的Pd换成了Pd-Ag合金，使灵敏度和耐久性得到了质的飞跃。现在运用的工艺技术是集成电路工艺，用来制造加热器、测温元件和MIS二极管，然后采用牺牲层工艺从背面将硅片进行选择性的减薄。

在测量氢气的体积分数时，无论是正偏状态还是反偏状态，这种测氢二极管都可以进行正常的测量工作：用恒流源正偏置M1S二极管，体积分数就可以通过正偏压降定量显示；用恒压源反偏置MIS二极管，体积分数就可以通过反向漏电流定量显示。

（三）SnO2氧化物薄膜气体微传感器

利用MEMS工艺制作的可控制温度的电导敏感元件。气体微传感器以及微传感器阵列的制作方式不太复杂，是用中央部位表面有纳米材料的气体敏感薄膜（如SnO2）的基础元件制成的。它有很多优点，比如，有很小的体积、较低的功耗，而且能够批量生产。但是这类气体微传感器也有不可避免的问题，如硅基底材料的立体加工工艺问题、元件的可靠性问题和元件以及敏感材料之间的兼容性问题。

SnO2氧化物薄膜气体微传感器应用了上述元件。温度能够影响SnO2氧化物薄膜对气体的敏感特性，原理是气体分子在表面的吸/脱附过程、气体分子在表面的吸附量以及反应速度等都与温度有一定的关系。

此外，温度还会引起微结构的尺寸变化。因此，这种SnO2氧化物薄膜结合可控温元件的微传感器比传统形式的SnO2氧化物薄膜气体微传感器有明显的优势。

在元件特性方面，加温元件的位置和表面薄膜制作时微结构的控制这2个问题是在制作一个元件时着重研究的。温度对元件的性能有影响，当温度变化时，元件对各种气体成分的敏感特性也会发生改变，所以从元件工作温度的控制入手可以对敏感元件的气体敏感特性进行调节。

集成有9个敏感元件的器件与CMOS工艺兼容，有极小的体积，这就使它的热惯性也很小，温度变化率可达到105～106℃/s。尤其重要的是，它采用脉冲式电流原理的加热器提供加热。

在不一样的工艺下做成的SnO2氧化物薄膜对甲醇的敏感特性。灵敏度在微球型颗粒多孔膜有效的表面积大于其他的薄膜的时候更高。通过在阵列中制作不同的集成9个敏感元件的芯片掺杂特性的敏感薄膜，可实现具有不同敏感特性的气体微传感器阵列，结合温度控制（各元件的温度可分别控制），即可实现一种“电子鼻”。利用模式识别，可从微传感器阵列输出信号中得到被测气体的气味信息。