MEMS气体传感器的优化设计

目前,MEMS气体传感器的应用日趋广泛,在物联网等泛在应用的推动下,其技术发展方向开始向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。本节将探讨具有代表性的基于金属氧化物半导体敏感材料(MOS)的MEMS气体传感器,这种传感器已广泛应用于安全、环境、楼宇控制等领域的气体检测。

一般认为,SnO2等半导体材料的气敏机理是表面电导模型。在洁净空气中的Sn O2气体传感器表面发生的氧吸附过程通常是物理吸附,物理吸附氧经过一段时间后,反应成为化学吸附氧离子O-(ch),即

化学吸附氧离子O-(ch)从Sn O2导带抽取电子,使Sn O2电阻增加。

SnO2暴露在还原性气氛中时,因和表面的O-(ch)发生还原过程,降低了O-(ch)的密度,同时将电子释放回导带,使SnO2阻值下降,即

其中,R 为SnO2在反应前的阻值,Rads为反应之后的阻值。

上述两种不可逆反应在相反方向上进行,并在给定温度和还原性气氛分压下达到稳态平衡,即O-(ch)发生还原过程,降低了O-(ch)密度,使其达到一平衡值,导致半导体表面电荷耗尽层的消失或减少,半导体电子浓度增加,电导率上升,由传感器电导的变化来检测环境中的各种气体。

MEMS气体传感器的性能指标主要有灵敏度、选择性、稳定性等。

(1)灵敏度

灵敏度用于表征由于被测气体浓度变化而引起的气体传感器阻值变化的程度。这里采用电阻比表示法表示灵敏度,即用气体传感器在不同浓度的被检测气体中的阻值Rg和在某一特定浓度中的阻值Rα之比来表示灵敏度。实际常常将Rα取为洁净空气中的阻值R0,因此灵敏度S为S=Rg/R0。(www.xing528.com)

(2)选择性

选择性用来表征其他气体对主测气体的干扰程度。用相对灵敏度表示法来表示选择性,即气敏元件在相同的条件下,接触同浓度的不同种类气体,电阻值的相对变化。

其中,α为分辨率(分离度);ΔR1为在主测气体中气体传感器阻值的变化;Rg1为气体传感器在一定浓度主测气体中的阻值;R0为气体传感器在洁净空气中的阻值;ΔR2表示气体传感器在同浓度另一气体中阻值的变化;Rg2是气体传感器在同浓度另一气体中的阻值。

(3)稳定性

气体传感器在连续工作过程中,由于受到周围环境氛围、温度及湿度等的影响,会使气体传感器的基线电阻和气敏性能发生变化。长期稳定性是气体传感器实际应用中最为重要的参数之一。稳定性常用多次测试过程中传感器基线电阻或灵敏度的变化程度来表示。

为了提高传感器的灵敏度、选择性和响应性,一般都需添加某些少量的贵金属,如Ag、Pd、Ru等。通常认为这些贵金属具有催化氧化反应的功能,可作为表面活性中心。同时,贵金属具有相对较大的电子亲和力,能加速电子从半导体向贵金属的迁移。

图6.16为SnO2薄膜型气体传感器的结构,它的工作温度较低(约为250℃),并且具有很大的表面积,自身的活性较高,本身气敏性很好,催化剂“中毒”现象不是十分明显。薄膜型器件一般是在绝缘基板上蒸发或溅射一层Sn O2薄膜,再引出电极。并且可利用器件对不同气体的敏感特性实现对不同气体的选择性检测。

图6.16　SnO2薄膜型气体传感器的结构