综述：提升MEMS气体传感器长期稳定性的设计与制备策略
2025-09-20 11:03:51 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

随着微纳制造技术的不断进步和传感器信号处理能力的快速发展，MEMS气体传感器将向着微型化、低功耗、单芯片集成多传感器件以及集传感、计算和存储于一体的方向发展。这些进步将为智能嗅觉芯片铺平道路，最终实现对环境中气味分子的实时检测与快速识别。

随着环境化学信息采集需求的日益增长，具备微型化与高灵敏度特性的MEMS气体传感器，已成为机器嗅觉发展的核心器件。这类气体传感器长期暴露于目标气体中时，往往会引起敏感薄膜表面发生缓慢化学变化，导致化学活性下降、性能退化，以及膜开裂或分层等机械故障。在实际应用中，尤其是在恶劣工作环境下，长期稳定性已成为MEMS气体传感器开发中的关键性能指标。因此，开发同时具备高灵敏度和长期稳定性的MEMS气体传感器变得不可或缺且充满挑战。

据麦姆斯咨询报道，近期，华东理工大学轩福贞教授、张国柱副教授团队在Advanced Science期刊上发表了题为“Rational Design and Fabrication of MEMS Gas Sensors With Long-Term Stability: A Comprehensive Review”的综述文章，全面概述了MEMS气体传感器领域的最新研究进展和成果，重点阐述了提升其工作稳定性的各项策略，主要包括敏感薄膜化学与物理特性的改进以及器件结构的优化。此外，还探讨了当前设计与制备具有长期稳定性的MEMS气体传感器方面存在的挑战，并对未来研究方向进行了展望。

MEMS气体传感器的发展历程

MEMS气体传感器的发展可追溯至20世纪中期，其起源是催化燃烧传感器和半导体金属氧化物（SMO）传感器。随着硅微加工技术和CMOS兼容工艺的成熟，MEMS气体传感器逐渐实现了从实验室研究到商业化的过渡。近年来，传感器架构从单一器件发展到多传感器阵列、多模态融合以及人工智能（AI）辅助分析，应用涵盖智慧城市、工业安全、环境监测等众多领域。特别是自2020年以来，AI芯片与MEMS器件的结合使得智能化和网络化的气体检测系统得以出现，展现出强大的实时多气体识别能力。在此背景下，人工智能技术正逐渐成为增强MEMS气体传感器长期稳定性的关键赋能技术，渗透到材料设计、结构优化和制造工艺等多个方面。

MEMS气体传感器的发展历程

图1 MEMS气体传感器的发展历程

典型MEMS气体传感器

MEMS气体传感器根据其气体分子敏感原理主要可分为电化学型、光学型和机械型。其中，电化学型MEMS气体传感器因其结构简单、易于微型化且灵敏度高而备受关注。此外，基于非红外色散（NDIR）的光学型气体传感器、基于声表面波（SAW）/石英晶体微天平（QCM）的机械型MEMS气体传感器也在检测特定气体分子方面展现出广阔应用前景，例如用于二氧化碳（CO₂）检测以及爆炸性或有毒化学品分析。除上述传统类别外，一些新兴的传感架构（例如光纤传感器、光声光谱（PAS）传感器等），也在下一代气体检测技术中展现出应用潜力。

具有外部热激发传感结构的MEMS气体传感器

图2 具有外部热激发传感结构的MEMS气体传感器

具有外部光激发传感结构的MEMS气体传感器

图3 具有外部光激发传感结构的MEMS气体传感器

光学型气体传感器的应用

图4 光学型气体传感器的应用

机械型MEMS气体传感器的结构与应用

图5 机械型MEMS气体传感器的结构与应用

光声光谱MEMS气体传感器的结构与应用

图6 光声光谱MEMS气体传感器的结构与应用

MEMS气体传感器的不稳定性来源

MEMS气体传感器中的敏感薄膜是一种薄层材料，通常由基于催化剂的纳米材料或其它化学活性介质构成，主要用于实现对气体的选择性检测。然而，这些薄膜的不稳定性是传感器实现长期可靠性和一致性的主要障碍。

导致MEMS气体传感器性能退化的机制主要包括三方面：（1）敏感薄膜的化学降解——不可逆的表面反应降低了灵敏度和选择性；（2）敏感薄膜的物理降解——微观结构的改变影响了气体-薄膜相互作用；（3）接触电极和加热器元件的性能劣化——热或电条件被破坏从而影响了器件稳定运行。通过系统评估这些因素，可为延长MEMS气体传感器的工作寿命、指导开发下一代稳定性优化器件提供策略支持。

提升MEMS气体传感器稳定性的策略

（1）开发具有化学与热稳定性的气体敏感薄膜

气体传感器的稳定性受多种因素影响，其中敏感材料的化学稳定性和热稳定性至关重要。敏感薄膜的热稳定性越高，其在高温或复杂环境中的工作稳定性就越佳。另一方面，化学稳定性决定了材料在环境中抵抗副反应或杂质气体干扰的能力，进而提升气体传感器的重复性与长期可靠性。

开发化学和热稳定的气体敏感材料

图7 开发化学和热稳定的气体敏感材料

（2）开发室温气体传感器

为了克服气体敏感薄膜表面反应所需的活化能势垒、提高反应速率，同时改善传感器的响应性和可逆性，通常需要提供足够的热能。因此，传统的金属氧化物气体传感器通常需要在150 ~ 500℃的高温下工作，但高温工作条件容易引发一系列不良后果。开发能够在室温下稳定工作的气体传感器对于提高器件安全性和长期稳定性具有重要意义。为实现这一目标，研究人员提出了多种策略来改善材料在环境温度下的气敏性能，包括贵金属负载和光活化方法。

室温气体传感器的开发

图8 室温气体传感器的开发

（3）开发具有化学与热稳定性的集成传感器件

气体传感器的长期稳定性是阻碍其商业化的主要挑战。为了提高传感器性能和可靠性，对加热器和接触电极进行优化至关重要。由于大多数传感器在高温下工作，加热器和接触电极材料必须具备优异的稳定性。在加热器的设计和制备中，材料选择和结构优化是热性能的关键决定因素。

开具有化学与热稳定性的集成传感器件

图9 开具有化学与热稳定性的集成传感器件

（4）使用前的加速老化处理

在气体传感器投入使用前进行预老化处理，对于获得稳定的响应信号和避免初始信号漂移具有重要意义。通过在测试前人工模拟气体传感器长期运行中所承受的环境应力来实现加速老化，是提升传感器稳定性的有效策略。该过程可有效去除气体敏感薄膜表面的污染物及制造过程中残留的杂质，同时在预处理阶段稳定晶粒结构，从而提升传感器的长期稳定性。

在气体传感器使用前进行加速老化处理

图10 在气体传感器使用前进行加速老化处理

（5）引入过滤层

为了提升气体传感器的稳定性，采用各类过滤材料去除湿气或干扰气体分子，并调节到达敏感薄膜的气体成分，是一种有效策略。作为MEMS气体传感器的关键功能组件，过滤层不仅在提高环境适应性、增强选择性和确保长期稳定性方面发挥着关键作用，也为在多样复杂气体中实现高可靠性检测提供了新思路。未来研究应进一步关注高效、多功能、可再生过滤材料的设计与集成，以满足日益增长的过滤性能需求。

过滤层的引入

图11 过滤层的引入

研究展望

综上所述，通过“材料-结构-工艺”的协同优化，并结合人工智能（AI）辅助设计与制备，将是提升MEMS气体传感器长期稳定性的核心策略。然而，在极端环境条件（例如高温、高湿、强辐射）下，MEMS气体传感器的性能稳定性面临更为严峻的挑战，传统稳定化方法往往难以维持长期有效性。未来的研究方向可聚焦于研发自调节传感系统，具体包括：（1）探索具有自修复能力或超高稳定性的材料，以抵抗长期环境退化；（2）集成人工智能算法与数据校正技术，以增强气体传感器的抗干扰能力和长期数据可靠性。

提升MEMS气体传感器长期稳定性的策略