利用CMOS微热板和MEMS麦克风构建热声式气体传感器
2022-02-10 21:33:23 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

CMOS微热板具有由蚀刻的硅衬底形成的热声腔，通过芯片键合膜（Die bonding film）固定于MEMS麦克风上方，并且在芯片键合膜之间创建了小开口，从而使环境气体可以扩散到热声腔中。

由于城市地区大气污染水平持续加剧，以及众多工业过程中安全监测需求的不断增加，用于环境监测的气体传感器开始发挥越来越重要的作用。

气体传感器的检测原理通常基于一系列化学和物理效应，包括电化学、催化燃烧、光离子化、光学和热性能的变化等。目前广泛采用的MEMS气体传感器是利用半导体金属氧化物（MOx）涂层暴露于气体时，由于氧化或还原而导致的电导率变化。这种MOx气体传感器对有机化合物敏感度较高，但选择性较差，且对二氧化碳（CO₂）不敏感，通常应用于低成本、低功耗场景中。光学式气体传感器（包括光声光谱式气体传感器）可以解决MOx气体传感器的一些缺点，是检测CO₂等气体的首选，它的检测原理是基于气体的中红外（MIR）光谱吸收特性，该方法具有很强的选择性，但在成本效益上没有优势。目前，低成本、小型化、高可靠性的气体传感器，仍面临着迫切的创新技术需求。

据麦姆斯咨询报道，来自英国剑桥大学工程系及Flusso公司的研究团队通过将作为热源的CMOS微热板与MEMS麦克风相结合，研发出一款紧凑的热声式气体传感器，对CO₂的检测限可达0.14%。该传感器的敏感机制是基于探测热声转换率的变化，利用由MEMS麦克风组成的有源传感元件对目标气体进行检测，同时采用参考元件进行声学噪声补偿。与现有的光声光谱式气体传感器相比，该传感器既不需要使用气体封装的MEMS麦克风，也不需要使用光学滤光片。此外，它还具有CMOS技术的所有优势，包括生产可扩展性、低成本和小型化。

在实际应用中，热声系统很早就被用于换能器和将热声功率转换为电能的组件中。不过，对于热声系统应用于气体传感器的研究却较为罕见。研究团队基于热声学技术开展了该项研究工作。

为了有效构建热声式气体传感器，研究团队将CMOS微热板安装在一款模拟MEMS麦克风（TDK产品型号ICS-40300）开口的上方，采用简单的微型（非谐振）配置。CMOS微热板具有由蚀刻的硅衬底形成的热声腔，通过芯片键合膜（Die bonding film）固定于MEMS麦克风上方，并且在芯片键合膜之间创建了小开口，从而使环境气体可以扩散到热声腔中。

热声式气体传感器制造

热声式气体传感器制造：（a）CMOS微热板结构（非实际比例）；（b）CMOS微热板的光学图像；（c）CMOS微热板的温度功率特性；（d）热声式气体传感器结构示意图；（e）热声式气体传感器的光学图像。

为了实现热声式气体传感器的电气连接和驱动，研究团队使用了定制的CMOS微热板电流驱动芯片和放大电子元件，并通过数字噪声消除和集成，降低了背景声学噪声的影响。在CO₂气体测试实验中，这款热声式气体传感器被安装在一个不锈钢腔室中，利用质量流量控制器（MFC）调节进入腔室的气体流量。经实验得出的各项数据可与当前最先进的热导式气体传感器相媲美，并且可通过最小化热源的热容来进一步改进性能，以增强热声信号，由此证明了该传感器的热稳定性。

热声式气体传感器接口

热声式气体传感器接口：（a）实验装置框图；（b）传感器调制声学信号变化。（c）传感器声学频率响应变化。（d）传感器对CO₂气体浓度脉冲的响应变化。

为了更好地了解该热声式气体传感器的响应特性，研究团队在标准的热电路模型基础上，对空气中CO₂浓度相对于空气增加（从0%到100%）引起的压力变化进行了计算，并对比了实验观察数据与计算数据的偏差。该项实验证明了CMOS微热板具有双重效应，它可以提供热声转换所需的热调制曲线，同时还可充当中红外热源。目前大多数利用CMOS微热板作为中红外光源的光声光谱式气体传感器，都使用封装有目标气体的MEMS麦克风。该项研究中的传感器，采用了CMOS微热板与气体直接接触的方式，最大限度地提高了能量的直接传递效率。

热声式气体传感器数值分析