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MEMS氣體傳感器應用和發展

更新時間:2024-01-17點擊次數:149

在日常生活中,我們感知外界靠眼睛、耳朵和鼻子,在信息化時代、物聯網時代、智能化時代,我們通過傳感器連接世界。在工業生產、環境、安全、智能生活中,氣體的監測是不可少的環節,氣體傳感器在其中扮演了重要的角色。

隨著經濟的發展、技術的進步,氣體傳感器的應用更加廣泛,逐漸向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發展。這些年,隨著MEMS(微機電系統)技術的進步,以MEMS技術為基礎的氣體傳感器逐步被開發出來,應用到各種場合。


MEMS全稱是Micro Electromechanical System,即微機電系統,是指在尺寸幾毫米甚至更小的材料上構建一個獨立的智能系統,滿足一定的使用功能。MEMS涉及物理學、半導體、光學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫學、信息工程及生物工程等多種學科和工程技術,為智能系統、消費電子、可穿戴設備、智能家居、系統生物技術的合成生物學與微流控技術等領域開拓了廣闊的用途。


MEMS加速度計、MEMS麥克風、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等在我們日常生活中經常用到。MEMS氣體傳感器是近些年興起的一項先進技術,用于探測氣體濃度的MEMS傳感器。


一、MEMS氣體傳感器的原理

a) 氣敏材料: MEMS氣體傳感器采用特殊的氣敏材料,能與目標氣體發生特定的化學反應。這種反應會導致材料的電阻、容抗或其他電性質的變化。


b) 微電子機械系統: 傳感器芯片上的微機械結構能夠引起氣敏材料的變形或位移。當目標氣體與材料發生反應時,產生的壓力或力量將改變微機械結構的狀態。


c) 電學測量: MEMS氣體傳感器通過測量材料電阻、電容等電性質的變化來檢測氣體濃度。這些電性質的變化與目標氣體的濃度呈正相關關系。


二、MEMS氣體傳感器的優點
(1)微型化:MEMS器件體積小,一般單個 MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位,重量輕、耗能低。同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面傳感器的敏感程度。


(2)硅基加工工藝,可兼容傳統 IC生產工藝:硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢,同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。


(3)批量生產:以單個 5mm×5mm尺寸的 MEMS傳感器為例,用硅微加工工藝在一片 8英寸的硅片晶元上可同時切割出大約 1000個 MEMS芯片,批量生產可大大降低單個 MEMS的生產成本。


(4)集成化:一般來說,單顆 MEMS往往在封裝機械傳感器的同時,還會集成ASIC芯片,控制 MEMS芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向的多個傳感器或執行器集成于一體,或形成微傳感器陣列、微執行器陣列,甚至把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統。


(5)多學科交叉:MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發展的許多成果。


MEMS氣體傳感器體積小、成本低的特點為我們的生活提供了無限的想象,隨著技術的日益進步,可以實現各種各樣的應用。



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