MOEMS气体传感技术研究进展

微光机电系统（MOEMS）气体传感技术是光学式气体传感器技术与MOEMS技术、新材料技术相结合的创新型技术方案。MOEMS气体传感器具有更低的价格、更高的集成度、更强的抗干扰能力，以及更高的检测精度。

据麦姆斯咨询报道，针对MOEMS气体传感技术的研究进展，南京邮电大学的研究团队进行了综述分析，阐述了主要光学式气体传感系统的工作原理及系统结构、MOEMS气体传感技术中最新的微光学器件及微光学系统，并通过分析MOEMS气体传感器的主要研究成果，展望了该领域未来的研究重点及发展挑战。相关内容以“MOEMS气体传感技术研究进展”为题，发表在《半导体光电》期刊上。

光学式气体传感器原理和结构

光学式气体传感器的工作原理主要包括吸收光谱式、光干涉式、荧光光谱式、光电比色式、离子电流式等。吸收光谱式气体传感器技术相对成熟度高、产量最大、应用最广，常用于CO2、CO、CH4、NO2、C2H2等气体的高精度检测，其优点是具有简单可靠的气室结构，调换光源对应不同的吸收光谱就可以实现检测不同的气体。

吸收光谱式气体传感器的吸收光度与待测气体的浓度有关，通过检测透射光的光强变化可以实现不同气体浓度检测。吸收光谱式气体传感器根据探测吸收的响应波段进行技术分类，如图1所示，具体可以分为紫外和可见光波段的差分光学吸收光谱技术（DOAS）、可见光和近红外波段的差分吸收激光雷达技术（DIAL）、中红外波段的非色散红外光谱技术（NDIR）、红外波段的傅里叶变换红外光谱技术（FTIR），以及既可对可见光波段进行检测又可以对红外波段进行检测的可调谐二极管激光吸收光谱技术（DLAS）。

图1 基于气体光谱分析技术的分类示意图

吸收光谱式气体传感器是光谱分析技术与现代光学技术相结合的产物。其原理简单，系统的基本构成组件也相对较少，主要包括光源、气室、反射光路、干涉仪（动镜、定镜、分束器）、光探测器、调理电路。

光学式气体传感器中的MOEMS组件

光学式气体传感器中的MOEMS基本系统组件包括光发射器、微镜、微光开关以及微光谱仪。

吸收光谱式气体传感器的光源通常采用半导体光源，包括发光二极管、激光二极管和分布反馈式半导体激光器。传统的吸收光谱式气体传感器中使用的光源发射率相对较高且成本低，开发更高效率以及实现更快调制频率的光源是光源器件发展的趋势。目前，大量研究都是从材料和光源器件结构方面入手。材料方面，由于间接带隙半导体辐射跃迁几率小，而且载流子注入造成的损耗高，研究中常选用能够发射所需波长光的直接带隙半导体材料。结构方面，MOEMS实现的光源发生器可以加工在陶瓷基底或者硅基底上，由于器件体积小、热质量低，可以实现快速调制。图2是利用绝缘体上硅（SOI）微加工技术制备的红外发射器实例。

图2 基于MEMS表面加工工艺制备的红外发射器

微镜是典型的MOEMS执行器件，用在MOEMS光学式气体传感器系统中可以实现平移和转动控制光程长度调制，甚至可以替代分光器将光分裂成两束，在相位移动后再重新组合输出干涉图进而得到光谱信息。常见的微镜结构具有镜面状和梳状两种。运动的形式包括平面外移动、平面内移动以及旋转三种。Thilo Sandner等人报道了一种用于小型FTIR光谱仪的MOEMS微镜，可以实现快速光程长度调制，如图3（a）所示。Danick Briand等人报道的光谱仪中使用了具有固定微镜和可动微镜的阵列，如图3（b）所示。

图3 （a）平面外移动振荡的MOEMS微镜；（b）平面内移动振荡的梳齿状MOEMS微镜

MOEMS光开关主要指基于MEMS加工技术的新型机械式光开关，主要用于微镜和镜面阵列的形式切换、组装光学交叉连接（OXC）、光分插复用（OADM）、光路通断等。MOEMS光开关与IC兼容，具有可靠性高、耦合损耗低、隔离度高、速率与调制方式无关的特点，可扩展性强，易于实现具有可重构无阻塞大规模光开关阵列，成为高速大容量光网络中光开关发展的主流方向。Aksyuk推出的著名的Wave Star光开关是最早的商业化应用比较成熟的MOEMS光开关，如图4所示。

图4 微米尺度和纳米尺度的MOEMS光开关器件

光谱仪通常由一个或几个衍射光栅、光路和一个探测器阵列构成。从微加工的微光谱仪实现方面，光学元件的质量和系统光对准直接影响分辨率。在气体探测应用方面，气路长度是影响检测气体灵敏度的一个重要因素。Mazen等人报道了基于中红外（MIR）光谱范围的气体检测的MOEMS光谱仪。图5是利用中红外光谱对CO2气体浓度进行检测，是一款对环境湿气不敏感的FTIR微光谱仪。该光谱仪通过SOI深硅蚀刻技术加工而成。

图5 FTIR光学式气体传感器

结论及展望

目前，新型MOEMS气体传感器技术领域依然以传统宏观组件为主，关于MOEMS技术应用则主要集中在系统功能组件的设计和开发上，其气体系统微型化设计和集成加工还处在起步阶段。除了MOEMS气体传感器功能组件之外，专用管壳内组合封装可以实现对于冲击、振动包括干扰气体的过滤，对于MOEMS气体传感器的性能影响较大。

展望未来，需要在MOEMS气体传感器新材料、新工艺、新结构方面加强研究。此外，大部分的MOEMS气体传感器系统采用板级电路，因此MOEMS气体测量技术的专用集成电路亦是未来的重点发展方向之一。

审核编辑：刘清