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氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測項目中變得越來越重要，并且越來越多地用于工業(yè)過程的安全監(jiān)測。因此，對堅固耐用、低成本的氣體傳感器的需求正在上升。

圖片來源：Olivier Le Moal/Shutterstock.com

在最近的一項研究中，劍橋大學的工程師展示了一種由 CMOS 微熱板和 MEMS 麥克風制成的小型熱聲氣體傳感器，認為他們的新型設備可以滿足對氣體傳感器不斷增長的需求。

氣體傳感如何工作？

氣體傳感越來越重要。特別是，CO 2傳感對于環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)安全都很重要。CO 2是一種窒息性氣體，當人體接觸濃度超過 70,000 ppm (7%) 時，會在幾分鐘內(nèi)導致窒息和失去知覺。氣體傳感器用于檢測大氣污染物的危險水平，包括 CO 2、二氧化氮 ( NO 2 ,) 和揮發(fā)性烴類如苯 (C 6 H 6 .)

目前沒有通用的氣體傳感方法，但大多數(shù)常見的氣體傳感器類型利用各種轉(zhuǎn)換效應，例如氣體引起的材料電學、光學、物理和熱質(zhì)量的變化。

化學電阻器控制暴露于氧化或還原氣體的半導體金屬氧化物 (MOx) 層的電導率變化�；瘜W電阻器用于低成本、低功耗應用，例如便攜式空調(diào) (A/C) 裝置�；瘜W電阻器對有機化合物高度敏感，但選擇性差，不能感應CO 2。

光學傳感器檢測中紅外 (MIR) 光譜中的吸收線。這種包括光聲傳感器的類型確實解決了化學電阻器面臨的一些限制。由于對CO 2敏感，光學傳感器是目前用于CO 2監(jiān)測的主要類型，也用于傳感其他氣體。然而，光學傳感器的應用目前受到相對較高的制造成本的限制，特別是對于芯片級設備。

通過監(jiān)測二氧化碳濃度指示冠狀病毒感染風險

最近實驗性地報道了更便宜的替代氣體傳感器技術(shù)。這些基于 CMOS 熱導率傳感器，可以利用不同氣體之間的熱導率差異。

用于 CO 2檢測的新型微型熱聲氣體傳感器

來自英國劍橋大學和 Flusso Ltd（一家成立于 2016 年的劍橋衍生公司，旨在將創(chuàng)新傳感器技術(shù)商業(yè)化）的工程師團隊最近在《科學報告》雜志上展示了一種新穎的氣體傳感器設計和使用該設備實現(xiàn)的實驗結(jié)果.

該氣體傳感器由互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 微熱板和微機電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風制成，可用作熱聲氣體傳感器。傳感器檢測熱聲轉(zhuǎn)換效率的變化，這取決于氣體的物理特性。它將有源傳感元件（MEMS 麥克風）與參考相結(jié)合，以補償噪聲。

熱聲系統(tǒng)在氣體中產(chǎn)生聲波，并且以前已被用作將熱聲功率轉(zhuǎn)換為電能的換能器和組件。然而，到目前為止，將該技術(shù)用作氣體傳感器的工作很少。

CMOS 是一種小型化制造工藝，它使用金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 實現(xiàn)邏輯功能。它通常用于制造集成電路（IC）芯片，例如微處理器和存儲芯片。CMOS 器件通常具有高抗噪性和低靜態(tài)功耗，使其非常適合無源傳感應用。

MEMS 是具有移動部件的微型設備。MEMS器件的尺寸一般在20μm到1000μm之間（0.02mm到1.0mm），它們的元件尺寸在1μm到100μm之間（或0.001mm到0.1mm）。最終芯片的尺寸僅為 1.08 mm × 1.08 mm × 0.38 mm。

與目前可用的其他光聲氣體傳感器不同，新傳感器不需要氣體封裝的麥克風或濾光片。它還受益于 CMOS 技術(shù)：生產(chǎn)可擴展，器件成本低，并且可以有效地小型化。

該論文的作者說，例如，氣體傳感器可用于工業(yè)工廠的氣體泄漏檢測。

該傳感器具有由二氧化硅 (SiO 2 ) 制成的圓形膜，厚度為 4.6 μm，直徑為 600 μm。直徑為 300 μm 的鎢 (W) 微型加熱器嵌入 SiO 2膜中。W 具有非常高的熔點 (3,400 °C) 和對電遷移的低敏感性。這使得傳感器具有穩(wěn)定的電熱性能。

通過使用深度反應離子蝕刻 (DRIE) 技術(shù)形成的膜，加熱器與器件的硅 (Si) 基板材料熱隔離。

該傳感器是通過將微型加熱器芯片安裝在模擬商用現(xiàn)成 MEMS 麥克風的端口上方來構(gòu)造的。配置簡單，微型（非共振）。

工程師使用芯片安裝墊將微型加熱器芯片機械固定到麥克風基板上，從而在芯片的蝕刻膜和麥克風端口之間形成聲學腔。芯片安裝墊之間的小開口（約 500 μm × 50 μm）允許氣體擴散到腔中。

在室溫下，該設備的加熱器軌道的電阻為 39 Ω。嵌入在 SiO 2膜中的p+ - n+ 結(jié)熱二極管使微型加熱器芯片能夠監(jiān)測其自身的工作溫度。