MOEMS氣體傳感技術(shù)研究進(jìn)展

微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）氣體傳感技術(shù)是光學(xué)式氣體傳感器技術(shù)與MOEMS技術(shù)、新材料技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新型技術(shù)方案。MOEMS氣體傳感器具有更低的價(jià)格、更高的集成度、更強(qiáng)的抗干擾能力，以及更高的檢測(cè)精度。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)MOEMS氣體傳感技術(shù)的研究進(jìn)展，南京郵電大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，闡述了主要光學(xué)式氣體傳感系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、MOEMS氣體傳感技術(shù)中最新的微光學(xué)器件及微光學(xué)系統(tǒng)，并通過(guò)分析MOEMS氣體傳感器的主要研究成果，展望了該領(lǐng)域未來(lái)的研究重點(diǎn)及發(fā)展挑戰(zhàn)。相關(guān)內(nèi)容以“MOEMS氣體傳感技術(shù)研究進(jìn)展”為題，發(fā)表在《半導(dǎo)體光電》期刊上。

光學(xué)式氣體傳感器原理和結(jié)構(gòu)

光學(xué)式氣體傳感器的工作原理主要包括吸收光譜式、光干涉式、熒光光譜式、光電比色式、離子電流式等。吸收光譜式氣體傳感器技術(shù)相對(duì)成熟度高、產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣，常用于CO2、CO、CH4、NO2、C2H2等氣體的高精度檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是具有簡(jiǎn)單可靠的氣室結(jié)構(gòu)，調(diào)換光源對(duì)應(yīng)不同的吸收光譜就可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)不同的氣體。

吸收光譜式氣體傳感器的吸收光度與待測(cè)氣體的濃度有關(guān)，通過(guò)檢測(cè)透射光的光強(qiáng)變化可以實(shí)現(xiàn)不同氣體濃度檢測(cè)。吸收光譜式氣體傳感器根據(jù)探測(cè)吸收的響應(yīng)波段進(jìn)行技術(shù)分類，如圖1所示，具體可以分為紫外和可見(jiàn)光波段的差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)（DOAS）、可見(jiàn)光和近紅外波段的差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)（DIAL）、中紅外波段的非色散紅外光譜技術(shù)（NDIR）、紅外波段的傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR），以及既可對(duì)可見(jiàn)光波段進(jìn)行檢測(cè)又可以對(duì)紅外波段進(jìn)行檢測(cè)的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（DLAS）。

圖1 基于氣體光譜分析技術(shù)的分類示意圖

吸收光譜式氣體傳感器是光譜分析技術(shù)與現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其原理簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的基本構(gòu)成組件也相對(duì)較少，主要包括光源、氣室、反射光路、干涉儀（動(dòng)鏡、定鏡、分束器）、光探測(cè)器、調(diào)理電路。

光學(xué)式氣體傳感器中的MOEMS組件

光學(xué)式氣體傳感器中的MOEMS基本系統(tǒng)組件包括光發(fā)射器、微鏡、微光開(kāi)關(guān)以及微光譜儀。

吸收光譜式氣體傳感器的光源通常采用半導(dǎo)體光源，包括發(fā)光二極管、激光二極管和分布反饋式半導(dǎo)體激光器。傳統(tǒng)的吸收光譜式氣體傳感器中使用的光源發(fā)射率相對(duì)較高且成本低，開(kāi)發(fā)更高效率以及實(shí)現(xiàn)更快調(diào)制頻率的光源是光源器件發(fā)展的趨勢(shì)。目前，大量研究都是從材料和光源器件結(jié)構(gòu)方面入手。材料方面，由于間接帶隙半導(dǎo)體輻射躍遷幾率小，而且載流子注入造成的損耗高，研究中常選用能夠發(fā)射所需波長(zhǎng)光的直接帶隙半導(dǎo)體材料。結(jié)構(gòu)方面，MOEMS實(shí)現(xiàn)的光源發(fā)生器可以加工在陶瓷基底或者硅基底上，由于器件體積小、熱質(zhì)量低，可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)制。圖2是利用絕緣體上硅（SOI）微加工技術(shù)制備的紅外發(fā)射器實(shí)例。

圖2 基于MEMS表面加工工藝制備的紅外發(fā)射器

微鏡是典型的MOEMS執(zhí)行器件，用在MOEMS光學(xué)式氣體傳感器系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)控制光程長(zhǎng)度調(diào)制，甚至可以替代分光器將光分裂成兩束，在相位移動(dòng)后再重新組合輸出干涉圖進(jìn)而得到光譜信息。常見(jiàn)的微鏡結(jié)構(gòu)具有鏡面狀和梳狀兩種。運(yùn)動(dòng)的形式包括平面外移動(dòng)、平面內(nèi)移動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)三種。Thilo Sandner等人報(bào)道了一種用于小型FTIR光譜儀的MOEMS微鏡，可以實(shí)現(xiàn)快速光程長(zhǎng)度調(diào)制，如圖3（a）所示。Danick Briand等人報(bào)道的光譜儀中使用了具有固定微鏡和可動(dòng)微鏡的陣列，如圖3（b）所示。

圖3 （a）平面外移動(dòng)振蕩的MOEMS微鏡；（b）平面內(nèi)移動(dòng)振蕩的梳齒狀MOEMS微鏡

MOEMS光開(kāi)關(guān)主要指基于MEMS加工技術(shù)的新型機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，主要用于微鏡和鏡面陣列的形式切換、組裝光學(xué)交叉連接（OXC）、光分插復(fù)用（OADM）、光路通斷等。MOEMS光開(kāi)關(guān)與IC兼容，具有可靠性高、耦合損耗低、隔離度高、速率與調(diào)制方式無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)具有可重構(gòu)無(wú)阻塞大規(guī)模光開(kāi)關(guān)陣列，成為高速大容量光網(wǎng)絡(luò)中光開(kāi)關(guān)發(fā)展的主流方向。Aksyuk推出的著名的Wave Star光開(kāi)關(guān)是最早的商業(yè)化應(yīng)用比較成熟的MOEMS光開(kāi)關(guān)，如圖4所示。

圖4 微米尺度和納米尺度的MOEMS光開(kāi)關(guān)器件

光譜儀通常由一個(gè)或幾個(gè)衍射光柵、光路和一個(gè)探測(cè)器陣列構(gòu)成。從微加工的微光譜儀實(shí)現(xiàn)方面，光學(xué)元件的質(zhì)量和系統(tǒng)光對(duì)準(zhǔn)直接影響分辨率。在氣體探測(cè)應(yīng)用方面，氣路長(zhǎng)度是影響檢測(cè)氣體靈敏度的一個(gè)重要因素。Mazen等人報(bào)道了基于中紅外（MIR）光譜范圍的氣體檢測(cè)的MOEMS光譜儀。圖5是利用中紅外光譜對(duì)CO2氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，是一款對(duì)環(huán)境濕氣不敏感的FTIR微光譜儀。該光譜儀通過(guò)SOI深硅蝕刻技術(shù)加工而成。

圖5 FTIR光學(xué)式氣體傳感器

結(jié)論及展望

目前，新型MOEMS氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域依然以傳統(tǒng)宏觀組件為主，關(guān)于MOEMS技術(shù)應(yīng)用則主要集中在系統(tǒng)功能組件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)上，其氣體系統(tǒng)微型化設(shè)計(jì)和集成加工還處在起步階段。除了MOEMS氣體傳感器功能組件之外，專用管殼內(nèi)組合封裝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于沖擊、振動(dòng)包括干擾氣體的過(guò)濾，對(duì)于MOEMS氣體傳感器的性能影響較大。

展望未來(lái)，需要在MOEMS氣體傳感器新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)方面加強(qiáng)研究。此外，大部分的MOEMS氣體傳感器系統(tǒng)采用板級(jí)電路，因此MOEMS氣體測(cè)量技術(shù)的專用集成電路亦是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

審核編輯：劉清