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浅析Micralyne金属氧化物气体传感材料和MEMS工艺

空气污染已经逐渐成为一个全球问题。无论你是谁，身处何地，健康状况如何，我们3每天呼吸的空气无时无刻不在影响我们。尽管我们无法看到它或闻到它，但空气污染却实实在在的对我们的健康产生威胁。空气污染的种类很多，包括颗粒物污染（PM2.5、PM10）、温室气体（CO2、CH4）以及有毒有害气体（VOC、CO、NOx、SOx、H2S）等。现在，由政府支持的空气监测站正在跟踪并记录空气污染状况。尽管这些仪器设备能够收集很多高质量的数据，但是，它们价格昂贵且维护成本很高，而且仅能分析有限的空气样本，常常由于安装位置不佳仅能覆盖较小的区域，此外，它们还不能提供任何时间信息。

随着对环境空气质量信息的本地化需求增长，气体传感器市场正在发生巨变。据麦姆斯咨询报道，全球气体传感器市场规模到2021年预计将增长至9.2亿美元，未来几年的复合年增长率为7.3%，如果未来气体传感器在消费类产品中获得广泛应用，那么前景将更加乐观，2021年的市场规模有可能突破10亿美元。在此背景下，现有的气体传感器技术正面临新需求和新技术所带来的各种挑战，例如大幅缩小器件尺寸、更低的功耗、提高的灵敏度、不同类型气体的探测能力以及更低的单位成本。气体传感未来将无处不在，这为采用MEMS技术的微型化气体传感器件创造了无限商机。

Sensirion（盛思锐）最新款气体传感器SGP30逆向分析。作为全球最小的数字气体传感器SGP家族的新产品，SGP30是第一款单一芯片上集成多个传感元件的金属氧化物气体传感器，可提供空气质量的详细信息，如二氧化碳（CO2）和挥发性有机化合物（VOC）的含量

来源：《Sensirion气体传感器：SGP30》

气体传感器根据其运行原理目镜可以分为催化法、电化学法、化学场效应晶体管、谐振式、金属氧化物半导体（MOS）、红外（IR）、色谱法、光电离以及化学发光法等。基于MOS的气体传感器最适于对成本敏感的低功耗应用，例如一次性医疗应用、智能家居以及消费类应用等。MOS气体传感器通过测量金属氧化物由于吸附气体所造成的电阻变化，实现各种气体浓度的探测。其机理为，目标气体的出现造成MOS表面大气氧浓度管道系统降低，使电导带中具有更多的电子，改变了半导体的电导率。这种电阻变化是可逆的，并根据传感材料的反应活性、催化材料的使用以及传感器工作温度而变化。

MEMS技术利用薄膜制造工艺制得加热元件和传感元件，使MOS传感器缩小到仅一颗单芯片大小。深反应离子刻蚀为加热元件和传感元件提供了热隔离。MEMS技术为MOS气体传感器带来了更低的功耗（持续运行时仅为数十个毫瓦），基于晶圆的制造工艺实现了更低的成本、可重复制造性、规模制造能力以及更高的灵敏度。滤油车MOS器件适合与ASIC电路集成，以及采用芯片级尺寸封装，实现更高的集成度和传感器阵列。

金属氧化物半导体材料可以以厚膜或薄膜进行沉积，最常见的涂层材料为SnO2，目标气体为VOC和CO。厚膜（膜厚3——10 um）进行多孔处理，以提高比表面积。通常将厚膜沉积并进行烧结（滴涂或印刷）。而另一方面，薄膜型（表面效应占主导地位的亚微米级厚度）通常采用溅射沉积。薄膜具有更快的响应速度和恢复时间。

Micralyne从其客户了解到市场对微型气体传感器标准化构建模块的需求不断增长。为了更好的支持客户，Micralyne积极扩展其工艺和平台供应，提供超小型低功耗气体传感架构。如下图1所示，Micralyne的新平台可提供集成小至1 x 1 mm微热板的MOS气体传感器。

图1：具有集成电极和传感薄膜的MEMS MOS气体传感器芯片，SiN和SnO2层为透明结构

MOS气体传感器的运行特性主要由金属制动室氧化物表面的表面反应主导。由目标气体引起的MOS材料电阻的变化可以用一个简单的分压器电路和一个参考电阻来测量。据麦姆斯咨询介绍，Micralyne的平台提供多种作为传感层的金属氧化物薄膜可供选择，包括SnO2、TiO2、ZnO、In2O3以及碳纳米结构膜。传感层可以包含Pd、Pt或其它金属氧化物催化剂，以提高传感器的灵敏度。此外，通过控制晶粒结构和比表面积，可以实现传感性能的最大化。

退火时间取决于制品的大小和壁厚; 该平台包括一款电极结构以连接传感层和电路，提供多种金属化可选方案，通常包括Au、Al或Pt。该平台还包括了一款芯片内的集成微加热器，可加热至200°C —— 400°C最优的传感温度。并通过下方硅去除的悬浮介电薄膜实现热隔离。

Micralyne对其MEMS MOS气体传感器的传感响应，与传统厚膜传感器做了对比。在相对湿度32%，空气中乙醇含量800ppm时，其MEMS MOS气体传感器达到和更大尺寸的厚膜传感器（初始电阻和测试电阻比18：1）相近的灵敏度。对于所有的MOS传感器，都必须考虑相对湿度，因为该参数也会影响传感器的电阻变化。

Micralyne的MEMS MOS气体传感器还可以探测600——2000 ppm的甲苯，初始电阻和测试电阻比高至8：1。其MEMS传感器的响应时间小于1秒。并且，在气流中移除被分析气体后，电阻恢复速度要比传统厚膜气体传感器快2倍。

据麦姆斯咨询报道，Micralyne的MEMS MOS平台可针对消费类和IoT市场快速开发商业化的低功3.175mm钢球耗、超微型气体传感器。MOS器件的灵敏度主要取决于材料和运行参数的选择。这些传感器可以进行局部环境空气质量的量化，这对于实现个人实时空气质量监测至关重要。

真应力－真应变曲线和形变强化 大多数金属（特别是韧性金属）

利用这些特性，将多个传感器薄膜集成在一颗芯片上，可提高传感器对气体种类的选择性。Micralyne平台根据气体类型、浓度范围和不同应用的成本考量，为气体传感器设计商提供了多种选择。这些器件可以方便的和ASIC封装在一个芯片级封装中，ASIC可用于控制器件、增加无线互联等额外功能。Micralyne的MEMS技术平台可提供MEMS设计的模块化方法，并通过半定制设备快速实现产品原型开发，加速度量产进度，降低MEMS研发成本，缩短MEMS产品上市时间。