MEMS气体传感器应用和发展

在日常生活中，我们感知外界靠眼睛、耳朵和鼻子，在信息化时代、物联网时代、智能化时代，我们通过传感器连接世界。在工业生产、环境、安全、智能生活中，气体的监测是必不可少的环节，气体传感器在其中扮演了重要的角色。

随着经济的发展、技术的进步，气体传感器的应用更加广泛，逐渐向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。这些年，随着MEMS（微机电系统）技术的进步，以MEMS技术为基础的气体传感器逐步被开发出来，应用到各种场合。

MEMS全称是Micro Electromechanical System，即微机电系统，是指在尺寸几毫米甚至更小的材料上构建一个独立的智能系统，满足一定的使用功能。MEMS涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。

MEMS加速度计、MEMS麦克风、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等在我们日常生活中经常用到。MEMS气体传感器是近些年兴起的一项先进技术，用于探测气体浓度的MEMS传感器。

一、MEMS气体传感器的原理

a) 气敏材料: MEMS气体传感器采用特殊的气敏材料，能与目标气体发生特定的化学反应。这种反应会导致材料的电阻、容抗或其他电性质的变化。

b) 微电子机械系统: 传感器芯片上的微机械结构能够引起气敏材料的变形或位移。当目标气体与材料发生反应时，产生的压力或力量将改变微机械结构的状态。

c) 电学测量: MEMS气体传感器通过测量材料电阻、电容等电性质的变化来检测气体浓度。这些电性质的变化与目标气体的浓度呈正相关关系。

二、MEMS气体传感器的优点
（1）微型化：MEMS器件体积小，一般单个 MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位，重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。MEMS更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。

(2)硅基加工工艺，可兼容传统 IC生产工艺：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

(3)批量生产：以单个 5mm×5mm尺寸的 MEMS传感器为例，用硅微加工工艺在一片 8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000个 MEMS芯片，批量生产可大大降低单个 MEMS的生产成本。

(4)集成化：一般来说，单颗 MEMS往往在封装机械传感器的同时，还会集成ASIC芯片，控制 MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。

(5)多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS气体传感器体积小、成本低的特点为我们的生活提供了无限的想象，随着技术的日益进步，可以实现各种各样的应用。

审核编辑 黄宇