MEMS 气体传感器简介

4、高场非对称波形离子迁移谱(Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry )技术气体传感器
FA IMS技术是基于离子迁移谱技术( IMS)发展而来, 原理如图4。载 气与样品混合电离后经过离子门送到离子飘移区,在高压(大于11 000V / cm)交变电场的作用下,不同离子的迁移速度为非线性(nonlinear)变化, 这种变化与离子自身特性有关,因此,高电场可以区分低电场迁移相近的 离子。对于交变电场再增加一个直流偏置电压,抵消待检测气体离子的高 电场迁移效果,即可使得特定离子通过飘移区达到检测电极。在样品检测 过程中对直流偏置电压进行扫描即可分析样品气体中的成分。
注：ppm/一百万体积的空气中所检测物的体积数
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气体光谱法
气体的光谱效应有吸收光谱法（absorption spectroscopy ）、荧光光谱法（ fluorescent spectrometry ）和拉曼光谱法（ raman spectrometry ） 。MEMS气体光谱仪的核心元件是可调节光学滤镜（ Bragg reflector ）,图2为采用德国慕尼黑大学的红外光气体传感器 制作的气体光谱仪原理。该光谱仪利用金属与硅的热膨胀率 不同实现对Bragg镜角度的变化,从而实现光谱分析。
图4 FA IMS气体传感器原理
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The principle of classification ：
1 )根据气体自身的光声学和光学特性,结合MEMS结构制作的 传感器,代表种类有 声光光谱法（ hotoacoustic spectroscopy ）和光谱法（spectroscopic methodology）;
2)采用气体敏感膜的化学吸附机理,代表种类有电导变化型 （The variation of the conductivity type ）、悬臂梁型 （Cantilever beam type）和声表面波型（Surface acoustic wave）; 3)针对易燃易爆气体,采用的催化燃烧式检测（Catalytic combustion type detection ）;
2.3谐振式微悬臂梁气体传感器
2.1声表面波型气体传感器
比较电路
产生声表面波
接收声表面波
图3 SAW气体传感器原理图
3、Gas sensor for inflammable and explosive gas catalytic combustion
催化燃烧式气体传感器的原理源自宏观的气体传感 器,主要用于甲烷, CO等易燃易爆气体检测领域。通过 MEMS技术将催化剂制做为薄膜,对其加热。当空气中有易 燃易爆气体存在时,气体分子在催化剂表面发生催化氧化 反应（catalytic oxidation reaction）,并放出热量。经 过热敏元件将温度变化转换为电信号,与参比薄膜进行比 对得到气体体积分数变化,热敏元件常用热敏电阻器,常用 催化剂有氧化Pd, Pt等。MEMS工艺实现催化剂薄膜化、 微型化,并对加热电极、热敏元件进行集成,从而有效减小 传感器的体积。
4)从离子迁移谱原理改进而来的高场不对称波形离子迁移谱 ( FA IMS) 技术。
1、 Based on the gas self photoacoustic spectroscopy and optical properties of MEMS gas sensor
1.1气体声光效应法 气体的光声效应(photoacoustic spectroscopy)早在1880 年就由贝尔发现,但直到20世纪80年代,随着激光器和高灵敏麦克 风技术的成熟, 才在气体传感器领域得到研究。 光声气体传感器由调制光源（modulated light source）、 光声池（photoacoustic cell ）、高灵敏麦克风（High sensitive microphone ）系统3个主要部分组成(如图1) 。
图2 MEMS气体光谱仪原理图
2、Gas sensors sensitive materials based on adsorption principle
金属氧化物(如, ZnO, SnO, TiO2 ) ,还有掺杂有机高分子聚 合物对特定的一类气体有溶解吸附效应（Solution adsorption effect）,称其为气体敏感材料（Gas sensitive materials ）。 气体敏感材料吸附了气体分子以后,其材料特性会发生物理化学 变化,如,电阻率改变、热效应出现、密度改变等。对于这一原理 的应用,也是MEMS气体传感器的一大研究方向。 2.1声表面波（SAW Surface Acoustic Wave）型气体传感器 2.2电导型气体传感器
图1 光声效应气体传感器结构图
The principle of process:
1)特定调制频率的光源照射气体,使气体分子处于激发态; 2)受激的气体分子以碰撞的方式释放吸收的能量; 3)气体碰撞产生热效应; 4)气体受热膨胀产生热声波,其频率与调制光频率相同;
5)高灵敏麦克风对热声波进行采样；
光声效应气体传感器其灵敏度与尺寸成反比,因此,目前多采 用半导体激光器做微型调制光源,MEMS技术制作光声池 （ photoacoustic cell ）和微型高灵敏度麦克风（Micro high sensitivity microphone ）。Ledermann N等人针对这种检测 方法采用压电微悬臂梁（Piezoelectric micro cantilever beam）的原理制作了高灵敏麦克风,瑞士Besson J P等人研究 的MEMS气体传感器对甲烷可以实现0. 5 ×10 – 6ppm的检测, 对氯化氢气体可以检测3 ×10 – 6ppm。
Brief introduction to the principles of MEMS gas sensor
———Composition of gas sensor
Summary
Gas detection in people's production life applications is very extensive, especially in the aspects of safety in production, such as, mine operation, gas production and transportation. Gas sensor is directly related to people's life and property safety. Microelectromechanical systems (MEMS) technology is the micro device manufacturing method based on the development of microelectronic technology, first in the accelerometer (加速度计), a pressure pickup (压力传感器) field. With the increase of film technology with Thin film technology (薄膜技术) development, in recent years the MEMS sensors have been widely concerned in the chemical gas detection.