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新型基于 mems 的 co2 气体传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2022/3/28

气体传感器在环境监测项目中变得越来越重要,并且越来越多地用于工业过程的安全监测。因此,对坚固耐用、低成本的气体传感器的需求正在上升。

图片来源:olivier le moal/shutterstock.com


在最近的一项研究中,剑桥大学的工程师展示了一种由 cmos 微热板和 mems 麦克风制成的小型热声气体传感器,认为他们的新型设备可以满足对气体传感器不断增长的需求。


气体传感如何工作?

气体传感越来越重要。特别是,co 2传感对于环境监测和工业安全都很重要。co 2是一种窒息性气体,当人体接触浓度超过 70,000 ppm (7%) 时,会在几分钟内导致窒息和失去知觉。气体传感器用于检测大气污染物的危险水平,包括 co 2、二氧化氮 ( no 2 ,) 和挥发性烃类如苯 (c 6 h 6 .)


目前没有通用的气体传感方法,但大多数常见的气体传感器类型利用各种转换效应,例如气体引起的材料电学、光学、物理和热质量的变化。


化学电阻器控制暴露于氧化或还原气体的半导体金属氧化物 (mox) 层的电导率变化。化学电阻器用于低成本、低功耗应用,例如便携式空调 (a/c) 装置。化学电阻器对有机化合物高度敏感,但选择性差,不能感应co 2。


光学传感器检测中红外 (mir) 光谱中的吸收线。这种包括光声传感器的类型确实解决了化学电阻器面临的一些限制。由于对co 2敏感,光学传感器是目前用于co 2监测的主要类型,也用于传感其他气体。然而,光学传感器的应用目前受到相对较高的制造成本的限制,特别是对于芯片级设备。


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最近实验性地报道了更便宜的替代气体传感器技术。这些基于 cmos 热导率传感器,可以利用不同气体之间的热导率差异。


用于 co 2检测的新型微型热声气体传感器

来自英国剑桥大学和 flusso ltd(一家成立于 2016 年的剑桥衍生公司,旨在将创新传感器技术商业化)的工程师团队最近在《科学报告》杂志上展示了一种新颖的气体传感器设计和使用该设备实现的实验结果.


该气体传感器由互补金属氧化物半导体 (cmos) 微热板和微机电系统 (mems) 麦克风制成,可用作热声气体传感器。传感器检测热声转换效率的变化,这取决于气体的物理特性。它将有源传感元件(mems 麦克风)与参考相结合,以补偿噪声。


热声系统在气体中产生声波,并且以前已被用作将热声功率转换为电能的换能器和组件。然而,到目前为止,将该技术用作气体传感器的工作很少。


cmos 是一种小型化制造工艺,它使用金属氧化物半导体场效应晶体管 (mosfet) 实现逻辑功能。它通常用于制造集成电路(ic)芯片,例如微处理器和存储芯片。cmos 器件通常具有高抗噪性和低静态功耗,使其非常适合无源传感应用。


mems 是具有移动部件的微型设备。mems器件的尺寸一般在20μm到1000μm之间(0.02mm到1.0mm),它们的元件尺寸在1μm到100μm之间(或0.001mm到0.1mm)。最终芯片的尺寸仅为 1.08 mm × 1.08 mm × 0.38 mm。


与目前可用的其他光声气体传感器不同,新传感器不需要气体封装的麦克风或滤光片。它还受益于 cmos 技术:生产可扩展,器件成本低,并且可以有效地小型化。


该论文的作者说,例如,气体传感器可用于工业工厂的气体泄漏检测。


该传感器具有由二氧化硅 (sio 2 ) 制成的圆形膜,厚度为 4.6 μm,直径为 600 μm。直径为 300 μm 的钨 (w) 微型加热器嵌入 sio 2膜中。w 具有非常高的熔点 (3,400 °c) 和对电迁移的低敏感性。这使得传感器具有稳定的电热性能。


通过使用深度反应离子蚀刻 (drie) 技术形成的膜,加热器与器件的硅 (si) 基板材料热隔离。


该传感器是通过将微型加热器芯片安装在模拟商用现成 mems 麦克风的端口上方来构造的。配置简单,微型(非共振)。


工程师使用芯片安装垫将微型加热器芯片机械固定到麦克风基板上,从而在芯片的蚀刻膜和麦克风端口之间形成声学腔。芯片安装垫之间的小开口(约 500 μm × 50 μm)允许气体扩散到腔中。


在室温下,该设备的加热器轨道的电阻为 39 ω。嵌入在 sio 2膜中的p - n 结热二极管使微型加热器芯片能够监测其自身的工作温度。


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