MEMS 气体传感器简介ppt课件

.,BriefintroductiontotheprinciplesofMEMSgassensor,Compositionofgassensor,.,Summary,Gasdetectioninpeoplesproductionlifeapplicationsisveryextensive,especiallyintheaspectsofsafetyinproduction,suchas,mineoperation,gasproductionandtransportation.Gassensorisdirectlyrelatedtopeopleslifeandpropertysafety.Microelectromechanicalsystems(MEMS)technologyisthemicrodevicemanufacturingmethodbasedonthedevelopmentofmicroelectronictechnology,firstintheaccelerometer(加速度计),apressurepickup(压力传感器)field.WiththeincreaseoffilmtechnologywithThinfilmtechnology(薄膜技术)development,inrecentyearstheMEMSsensorshavebeenwidelyconcernedinthechemicalgasdetection.,.,Theprincipleofclassification：,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（hotoacousticspectroscopy）和光谱法（spectroscopicmethodology）;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（Thevariationoftheconductivitytype）、悬臂梁型（Cantileverbeamtype）和声表面波型（Surfaceacousticwave）;3)针对易燃易爆气体,采用的催化燃烧式检测（Catalyticcombustiontypedetection）;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(FAIMS)技术。,.,1、BasedonthegasselfphotoacousticspectroscopyandopticalpropertiesofMEMSgassensor,1.1气体声光效应法气体的光声效应(photoacousticspectroscopy)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（modulatedlightsource）、光声池（photoacousticcell）、高灵敏麦克风（Highsensitivemicrophone）系统3个主要部分组成(如图1)。,图1光声效应气体传感器结构图,.,Theprincipleofprocess:,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（photoacousticcell）和微型高灵敏度麦克风（Microhighsensitivitymicrophone）。LedermannN等人针对这种检测方法采用压电微悬臂梁（Piezoelectricmicrocantileverbeam）的原理制作了高灵敏麦克风,瑞士BessonJP等人研究的MEMS气体传感器对甲烷可以实现0.5106ppm的检测,对氯化氢气体可以检测3106ppm。注：ppm/一百万体积的空气中所检测物的体积数,.,1.2气体光谱法气体的光谱效应有吸收光谱法（absorptionspectroscopy）、荧光光谱法（fluorescentspectrometry）和拉曼光谱法（ramanspectrometry）。MEMS气体光谱仪的核心元件是可调节光学滤镜（Braggreflector）,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2MEMS气体光谱仪原理图,.,2、Gassensorssensitivematerialsbasedonadsorptionprinciple,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（Solutionadsorptioneffect）,称其为气体敏感材料（Gassensitivematerials）。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（SAWSurfaceAcousticWave）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,.,2.1声表面波型气体传感器,图3SAW气体传感器原理图,比较电路,产生声表面波,接收声表面波,.,3、Gassensorforinflammableandexplosivegascatalyticcombustion,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（catalyticoxidationreaction）,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、高场非对称波形离子迁移谱(FieldAsymmetricIonMobilitySpectrometry)技术气体传感器,FAIMS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11000V/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