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智能“鼻子”——气体传感器的今世前生

发表时间:2020-09-25 14:11

随着互联网通信技术的发展,AIoT(人工智能物联网)时代即将到来,当今社会向着信息化、数字化和智能化发展,而具有“感知”功能的各类传感器是实现智能化的重要途径。其中,气体传感器作为嗅觉感知器件,被广泛研究和应用,如对有毒气体CO、NO及甲醛等的检测,对空气环境质量的实时监测。


传统的气体传感器为陶瓷管气体传感器,被广泛应用于工业和日常生活中。但是,由于陶瓷管气体传感器体积和功耗过大,不能用于高度集成的小型化和智能化设备中。目前,随着MEMS技术的成熟,微热板式气体传感器具有体积小、功耗低、可集成等优势,成为研究趋势和热点。

微热板式气体传感器的工作原理是利用被测气体在气敏材料(SnO2、ZnO、Fe2O3等)表面发生化学反应,气体的信息即被测试电极转化成电信号输出并处理,得到该气体的类别、浓度等信息。然而,气敏材料需要加热到一定温度才能响应,因此需要微热板提供足够的热量供其工作。


目前市面上主流产品采用悬膜式结构,其结构由下到上依次包括支撑膜层、加热电极层、绝缘层、测试电极层、钝化层和气敏材料层。背部空腔主要目的是防止加热层热量从Si衬底散失,保证测试电极区域的温度和温度均匀性,同时均匀的温场分布有利于降低功耗。芯片尺寸一般为1mm x 1mm,加热区面积为0.3mm x 0.3mm, 薄膜尺寸为0.6mm x 0.6mm。


描述气体传感器的主要特性指标有灵敏度、响应时间、稳定性和加热功耗等。目前市面上主流产品的性能为热响应时间<100 ms,工作电压<5 V,工作温度可达到加热温度300-700℃。然而灵敏度和稳定性还不尽如人意,如加热层、绝缘层和测试层之间易形成寄生电场,对测试信号造成干扰影响器件灵敏度,再如加热和测试电极材料选择和尺寸设计对温度及温差调控影响稳定性及功耗。另外,实现微热板加热的稳定性以及在温度加热温度环境下进行气敏性能测试,也需对微热板进行性能测试。测试应包括加热电极设计阻值与实际阻值对比、微加热板TCR标定、红外成像测试和气敏性能测试。

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