MEMS 气体传感器简介ppt课件
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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；
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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。
注：ppm/一百万体积的空气中所检测物的体积数
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1. 2 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
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3Baidu Nhomakorabea主要部分组成(如图1) 。
Brief introduction to the principles of MEMS gas sensor
———Composition of gas sensor
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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.
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2 MEMS气体光谱仪原理图
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2、Gas sensors sensitive materials based on adsorption principle
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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）;
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
2.3谐振式微悬臂梁气体传感器
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2.1声表面波型气体传感器
比较电路
产生声表面波
图3 SAW气体传感器原理图
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接收声表面波
3)针对易燃易爆气体,采用的催化燃烧式检测（Catalytic combustion type detection ）;
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。
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1、 Based on the gas self photoacoustic spectroscopy and optical properties of MEMS gas sensor
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；
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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。
注：ppm/一百万体积的空气中所检测物的体积数
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1. 2 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
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3Baidu Nhomakorabea主要部分组成(如图1) 。
Brief introduction to the principles of MEMS gas sensor
———Composition of gas sensor
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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.
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2 MEMS气体光谱仪原理图
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2、Gas sensors sensitive materials based on adsorption principle
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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）;
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
2.3谐振式微悬臂梁气体传感器
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2.1声表面波型气体传感器
比较电路
产生声表面波
图3 SAW气体传感器原理图
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接收声表面波
3)针对易燃易爆气体,采用的催化燃烧式检测（Catalytic combustion type detection ）;
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。
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1、 Based on the gas self photoacoustic spectroscopy and optical properties of MEMS gas sensor