盡管我們無法看到它或聞到它，但空氣汙染卻實實在在的對我們的健康產生威脅。空氣汙染的種類很多
，包括顆粒物汙染（PM2.5、PM10）、溫室氣體（CO2


、CH4）以及有毒有害氣體（VOC、CO、NOx、SOx

、H2S）等。現在


，由政府支持的空氣監測站正在跟蹤並記錄空氣汙染狀況。

 

盡jin管guan這zhe些xie儀yi器qi設she備bei能neng夠gou收shou集ji很hen多duo高gao質zhi量liang的de數shu據ju，但dan是shi，它ta們men價jia格ge昂ang貴gui且qie維wei護hu成cheng本ben很hen高gao，而er且qie僅jin能neng分fen析xi有you限xian的de空kong氣qi樣yang本ben
，常chang常chang由you於yu安an裝zhuang位wei置zhi不bu佳jia僅jin能neng覆fu蓋gai較jiao小xiao的de區qu域yu，此ci外wai，它ta們men還hai不bu能neng提ti供gong任ren何he時shi間jian信xin息xi。隨sui著zhe對dui環huan境jing空kong氣qi質zhi量liang信xin息xi的de本ben地di化hua需xu求qiu增zeng長chang，氣qi體ti傳感器市場正在發生巨變。

 

據麥姆斯谘詢報道，全球氣體傳感器市場規模到2021年預計將增長至9.2億美元
，未來幾年的複合年增長率為7.3%，如果未來氣體傳感器在消費類產品中獲得廣泛應用，那麼前景將更加樂觀
，2021年的市場規模有可能突破10億美元。

 

在此背景下，現有的氣體傳感器技術正麵臨新需求和新技術所帶來的各種挑戰，例如大幅縮小器件尺寸、更低的功耗、提高的靈敏度
、不同類型氣體的探測能力以及更低的單位成本。氣體傳感未來將無處不在，這為采用MEMS技術的微型化氣體傳感器件創造了無限商機。

 

 

Sensirion（盛思銳）最新款氣體傳感器SGP30逆向分析。作為全球最小的數字氣體傳感器SGP家族的新產品
，SGP30是第一款單一芯片上集成多個傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器
，可提供空氣質量的詳細信息，如二氧化碳（CO2）和揮發性有機化合物（VOC）的含量（來源：《Sensirion氣體傳感器：SGP30》）氣體傳感器根據其運行原理可以分為催化法、電化學法、化學場效應晶體管
、諧振式

、金屬氧化物半導體（MOS）
、紅外（IR）、色譜法
、光電離以及化學發光法等。

 

基於MOS的氣體傳感器最適於對成本敏感的低功耗應用，例如一次性醫療應用
、智能家居以及消費類應用等。MOS氣體傳感器通過測量金屬氧化物由於吸附氣體所造成的電阻變化，實現各種氣體濃度的探測。其機理為，目標氣體的出現造成MOS表麵大氣氧濃度降低，使電導帶中具有更多的電子，改變了半導體的電導率。這種電阻變化是可逆的，並根據傳感材料的反應活性、催化材料的使用以及傳感器工作溫度而變化。MEMS技術利用薄膜製造工藝製得加熱元件和傳感元件
，使MOS傳感器縮小到僅一顆單芯片大小。深反應離子刻蝕為加熱元件和傳感元件提供了熱隔離。

 

MEMS技術為MOS氣體傳感器帶來了更低的功耗（持續運行時僅為數十個毫瓦）

，基於晶圓的製造工藝實現了更低的成本、可重複製造性、規模製造能力以及更高的靈敏度。MOS器件適合與ASIC電dian路lu集ji成cheng
，以yi及ji采cai用yong芯xin片pian級ji尺chi寸cun封feng裝zhuang

，實shi現xian更geng高gao的de集ji成cheng度du和he傳chuan感gan器qi陣zhen列lie。金jin屬shu氧yang化hua物wu半ban導dao體ti材cai料liao可ke以yi以yi厚hou膜mo或huo薄bo膜mo進jin行xing沉chen積ji
，最zui常chang見jian的de塗tu層ceng材cai料liao為weiSnO2，目標氣體為VOC和CO。厚膜（膜厚3~10 um）進行多孔處理
，以提高比表麵積。通常將厚膜沉積並進行燒結（滴塗或印刷）。而另一方麵，薄膜型（表麵效應占主導地位的亞微米級厚度）通常采用濺射沉積。

 

薄膜具有更快的響應速度和恢複時間。Micralyne從其客戶了解到市場對微型氣體傳感器標準化構建模塊的需求不斷增長。為了更好的支持客戶，Micralyne積極擴展其工藝和平台供應，提供超小型低功耗氣體傳感架構。如下圖1所示
，Micralyne的新平台可提供集成小至1 x 1 mm微熱板的MOS氣體傳感器。

 

 

圖1：具有集成電極和傳感薄膜的MEMS MOS氣體傳感器芯片，SiN和SnO2層為透明結構MOS氣體傳感器的運行特性主要由金屬氧化物表麵的表麵反應主導。由目標氣體引起的MOS材料電阻的變化可以用一個簡單的分壓器電路和一個參考電阻來測量。據麥姆斯谘詢介紹
，Micralyne的平台提供多種作為傳感層的金屬氧化物薄膜可供選擇
，包括SnO2、TiO2、ZnO、In2O3以及碳納米結構膜。

 

傳感層可以包含Pd
、Pt或(huo)其(qi)它(ta)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)催(cui)化(hua)劑(ji)，以(yi)提(ti)高(gao)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)。此(ci)外(wai)
，通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)晶(jing)粒(li)結(jie)構(gou)和(he)比(bi)表(biao)麵(mian)積(ji)

，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)傳(chuan)感(gan)性(xing)能(neng)的(de)最(zui)大(da)化(hua)。該(gai)平(ping)台(tai)包(bao)括(kuo)一(yi)款(kuan)電(dian)極(ji)結(jie)構(gou)以(yi)連(lian)接(jie)傳(chuan)感(gan)層(ceng)和(he)電(dian)路(lu)，提(ti)供(gong)多(duo)種(zhong)金(jin)屬(shu)化(hua)可(ke)選(xuan)方(fang)案(an)，通(tong)常(chang)包(bao)括(kuo)Au、Al或Pt。該平台還包括了一款芯片內的集成微加熱器，可加熱至200°C ~ 400°C最優的傳感溫度。並通過下方矽去除的懸浮介電薄膜實現熱隔離。

 

Micralyne對其MEMS MOS氣體傳感器的傳感響應
，與傳統厚膜傳感器做了對比。在相對濕度32%
，空氣中乙醇含量800ppm時，其MEMS MOS氣體傳感器達到和更大尺寸的厚膜傳感器（初始電阻和測試電阻比18：1）相近的靈敏度。對於所有的MOS傳感器，都必須考慮相對濕度，因為該參數也會影響傳感器的電阻變化。Micralyne的MEMS MOS氣體傳感器還可以探測600~2000 ppm的甲苯，初始電阻和測試電阻比高至8：1。其MEMS傳感器的響應時間小於1秒。並且，在氣流中移除被分析氣體後，電阻恢複速度要比傳統厚膜氣體傳感器快2倍。

 

 

圖2：MEMS MOS氣體傳感器的靈敏度 vs. 傳統厚膜器件據麥姆斯谘詢報道，Micralyne的MEMS MOS平台可針對消費類和IoT市場快速開發商業化的低功耗

、超微型氣體傳感器。MOS器qi件jian的de靈ling敏min度du主zhu要yao取qu決jue於yu材cai料liao和he運yun行xing參can數shu的de選xuan擇ze。這zhe些xie傳chuan感gan器qi可ke以yi進jin行xing局ju部bu環huan境jing空kong氣qi質zhi量liang的de量liang化hua
，這zhe對dui於yu實shi現xian個ge人ren實shi時shi空kong氣qi質zhi量liang監jian測ce至zhi關guan重zhong要yao。

 

 

圖3：基於晶圓製造的MOS氣體傳感器實現了微型化、降成本
、可重複製造和規模製造的優勢利用這些特性
，將多個傳感器薄膜集成在一顆芯片上
，可提高傳感器對氣體種類的選擇性。

 

Micralyne平台根據氣體類型
、濃度範圍和不同應用的成本考量
，為氣體傳感器設計商提供了多種選擇。這些器件可以方便的和ASIC封裝在一個芯片級封裝中，ASIC可用於控製器件

、增加無線互聯等額外功能。Micralyne的MEMS技術平台可提供MEMS設計的模塊化方法
，並通過半定製設備快速實現產品原型開發
，加速度量產進度，降低MEMS研發成本，縮短MEMS產品上市時間。