MOEMS气体传感技术研究进展_蔡炜铭.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；江苏省自然科学 基 金 项 目（）；南 京 邮 电 大 学 教 改 项 目（）通信作者：任青颖 ：和 技术专题 ：气体传感技术研究进展蔡炜铭，任青颖，江彦虎，魏鸿飞，彭俊越，常春耘，薛梅，（南京邮电大学电子与光学工程学院；电子科学与技术国家级实验教学示范中心，南京 ）摘要：微光电子机械系统（）气体传感技术是光学式气体传感器技术与 技术、新材料技术相结合的创新型技术方案。气体传感器具有更低的价格、更高的集成度、更强的抗干扰能力，以及更高的测试精度。文章首先阐述了主要的光学气体传感系统的工作原理及系统结构，随后介绍了 气体传感技术中最新的微光学器件及微光学系统。通过对 气体传感器的主要研究成果和进展的综述，对未来 气体传感器的研究重点和研究挑战等进行了展望。关键词：微光电子机械系统；气体传感器；光谱分析中图分类号：文章编号：（），（；，）：，：；引言气体传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否，在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护领域的需求与日俱增。气体传感器按其技术种类，主要可以分为半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、光学气体传感器、接触燃烧式气体传感器。其中基于光学信号的光学气体传感器与其他类型气体传感器相比，测量过程中传感探头对待测气体不产生影响，具有传输功率损耗小、响应速度快（时间常数可低于）、抗电磁干扰能力强以及气体分辨率较高的优点，是气体传感器技术的一个重要分支，但传统的光谱仪系统易受冲击和振动影响，功耗高、尺寸大、不便于二次开发，同时精密的光学结构也决定了其高昂的使用及维护成本，使其应用受到极大限制。与传 统系 统 相 比，微 光 电 子 机 械 系 统（，）技术的推广对于批量生产小型化和高可靠性的光学的系统提供了技术支持。技术是一种将微机电系统（，）技术引进到光电子中的新技术，图给出了 与、光电子学和微电子学的关系图。图微观力学、光学和微电子学关系图借助 技术可以有效减小光学式气体传感器系统的体积，利用机电控制方法（如静电、磁或热效应）实现内部微器件的精确运动或变形，最终使系统具有独特的光学功能，提高系统性能，并降低系统总能耗。光学式传感器工作原理主要包括吸收光谱式、光干涉式、荧光光谱式、光电比色式、离子电流式等等。吸收光谱式气体传感器技术相对成熟度高，产量最大，应用最广，常用于 ，以及等气体的高精度检测，其优点是具有简单可靠的气室结构，调换光源对应不同的吸收光谱就可以实现检测不同的气体。但传统的吸收光谱式气体传感器大多以大型分析仪器为主，分析设备系统复杂且价格昂贵，具有效率低、精度差的共性问题。本文主要综述吸收光谱式光学气体传感器及系统关键组件与 技术结合方面的最新研究进展。传感器原理和结构工作原理吸收光谱式气体传感器的吸收光度与待测气体的浓度有关，通过检测透射光的光强变化可以实现不同气体浓度检测。根据朗伯比尔定律，投射光强（）：（）（）（）（）式中，（）为光源发射的入射光强，和分别为光路长度和气体浓度，（）为与波长有关的被测气体吸收截面。吸收截面是吸收光子的有关电子跃迁部分的面积，其单位为 ，面积越大表示吸收能力越大。其中的气体浓度可表示为 （）（）（）（）定义为被测物质的光学厚度（），或者光学密度（），表示为 （）（）（）（）将其代入气体浓度计算公式（）得到（）（）因此，已知光源的入射光强，即无任何气体吸收时探测器所接收的光强，又称为零光谱，再获得通过被测气体后的透射光谱，则根据式（）可以得到气体浓度。由于各种气体组分和浓度在不同波段对应于光的特征吸收光谱不同，进而最终实现对气体的定性、定量测量。吸收光谱式气体传感器根据探测吸收的响应波段进行技术分类，如图所示，具体可以分为紫外和 可 见 光 波 段 的 差 分 光 学 吸 收 光 谱 技 术（，）、可见光和近红外波段的差分吸收激光雷达技 术（，）、中 红 外 波 段 的 非 分 散 红 外 光 谱 技 术（，）、红外波段的傅里叶变换红外光谱技术（，），以及既可对可见光波段进行检测又可以对红外波段进行检测的可调谐二极管激光吸收光谱技术（，）。表给出了具体的气体检测方案以及其检测性能指标。图基于气体光谱分析技术的分类示意图 半导体光电 年 月第 卷第期蔡炜铭 等：气体传感技术研究进展表不同气体光学检测性能指标的比较气体种类波长光路长度响应时间吸光率吸收系数最小浓度采用的技术参考文献 ，传感系统结构吸收光谱式气体传感器是光谱分析技术与现代光学技术相结合的产物。由于其原理简单，其系统的基本构成组件也相对较少，主要包括光源，气室，反射光路，干涉仪（动镜、定镜、分束器），光探测器，调理电路。而为了消除光源不稳定或者环境不稳定，常常需要添加一个探测器作为参考单元。参考探测器的输出与待测气体的等效通道输出的光强度进行比较，将这两种强度归一化并进行相减就可以计算出待测气体吸收的波长处的光吸收状态。图给出了基于 技术改进的相关光谱测试的系统图以及光路上不同位置的光谱特征，系统中的光 源 采 用 的 是 紫 外 光 源（，），波长中心在 左右，波长宽度约为 ，覆盖大约八个显著的 吸收峰。探测光通过待测气体气室（长 ）再经过分束器（和）聚焦到两个探测器（，）上，其中参考光通过充满 气体的参考气室（长 ）。探测器通过数据采集卡（，）传输到计算机上，使用 实现数据采集和分析。两路测量曲线，可以生成一个校准曲线，实现对未知气体浓度的测量。图 气体相关光谱测试系统及光路上不同位置处的光谱 传感器中的 组件光发射器件吸收光谱式气体传感光源通常采用半导体光源，包括发光二极管、激光二极管和分布反馈式半导体激光器。传统的吸收光谱式气体传感器中使用的光源发射率相对较高且成本低，如文献中报道的一款基于 技 术 的 气 体 传 感 器 的 光 源 发 射 功 率 为，成本仅需美元。但其发射的波段包含相当大比例的可见光和短波红外辐射，在作为气体探测应用使用过程中，这种额外的光信号将会出现干扰的检测信号。另一个问题是这种光源限制电调制频率在 ，而该频率在信号读取识别过程中会引入噪声干扰。开发更高效率及实现更快的调制频率的光源是光源器件发展的趋势。大量研究都是从材料和光源器件结构方面入手。材料方面，由于间接带隙半导体辐射跃迁几率小，而且载流子注入造成的损耗高，研究中常选用能够发射所需波长光的直接带隙半导体材料。日本 大学的 等用 作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷气体在 附近的 线进行检测，系统最小可探测灵敏度为 （气体爆炸下限）。其后，又用 作为光源检测到甲烷 气 体 在 处 的 谐 波 吸 收 峰，由 于 处的谐波吸收峰吸收强度较 处大 一 倍，即 提 高 了 测 试 精 度。结 构 方 面，实现的光源发生器可以加工在陶瓷基底或者硅基底上，由于器件体积小，热质量低，可以实现 快 速 调 制。如 图 给 出 的 是 用 绝 缘 层 上 硅（，）的微加工技术制备的红外发射器实例。该发射器件具有弯曲的加热条，并集成可以实时检测芯片温度的温度传感器。截面图展示出器件是悬膜结构，采用悬膜结构可以有效 减 少 衬底 带 来 的 热 损 耗，支 撑 梁 是 和 复合 结 构，基 底 可 以 简 化 悬 膜 释 放 工艺，悬浮结构的释放将决定器件的成品率和均匀性，可采用 湿法腐蚀和 干法刻蚀复合加工实现均匀性的释放。大量研究表明，辐射层的制备和改性对于光源器件的性能影响很大，薄膜改性后的发射器件在高温下具有长期稳定性，如在 下的寿命可达 年；辐射层厚度与目标气体波长有相似的尺度，可以提高光谱效率。等实现 检测极限的 浓度检测在 波段范围内的吸收率均可达到 以上。近年来，纳米技术的发展进一步提升了辐射层的性能。等研究表明，制备纳米级硅作为新型的低反射纳米材料，在 波段上表现出接近的发射率。（）俯视图（）截面图图 表面加工工艺制备的红外发射器俯视图和截面图 微镜器件微 镜 是 典 型 的 执 行 器 件，用 在 光学气体传感器系统中可以实现平移和转动控制光程长度调制，甚至可以替代分光器将光分裂成两束，在相位移动后再重新组合输出干涉图进而得到光谱信息。微镜器件对于冲击和振动的不敏感性使其在实际应用中具有很大的吸引力。基于 微镜或微镜阵列根据光学工作原理可以分为反射、折射或衍射（光栅）三类，可以通过微加工、表面微加工或混合制造加工硅微机械加工工艺得到。最终通过静电方式、电磁方式、压电 半导体光电 年 月第 卷第期蔡炜铭 等：气体传感技术研究进展方式 和热电方式 进行驱动，各种驱动的性能在表中进行对比。表基于不同驱动模式的 微镜性能比较特性分类静电驱动电磁驱动压电驱动易于制造优优良扫描角度大良优差功耗低良差优驱动电压低差优良体积紧凑优差优线性度良优良常见的微镜结构具有镜面状和梳状两种。运动的形式包括平面外移动、平面内移动以及旋转三种。等报道的一种用于小型 光谱仪的 微镜，可以实现快速光程长度调制。如图（）所示，直径为 的镜板由四个弓型梁支撑，在 ，静 电 驱 动 电 压 下 实 现 高 达 的振幅平面外平移振荡。该 器件 采 用 兼 容 的 工 艺 制 造。等报道的光谱仪中使用的具有固定微镜和可动微镜阵列对，如图（）所示。整个微镜阵列排列成具有可变深度的光栅。以零阶反射回来的光将作为光栅深度的函数进行调制（即固定系列的反射镜和可移动的反射镜之间的距离）产生相位延迟，从而产生干涉图。该仪器每秒能测量 个光谱，在 的测量时间内信噪比高达 。该微镜采用 硅片的表面微加工工艺实现，结合 腐蚀实现静电梳状驱动执行器和反射镜。（）（）图平面外平移振荡的 微镜（）和平面内移动振荡的梳齿装 微镜（）微镜的研究重点主要是通过改进和优化工艺和结构，实现更高的振荡振幅和更小的光孔径，以提高系统的光谱分辨率和信噪比。还有研究致力于分离不同的振荡模式。另有研究表明，将 微镜进行原片级真空封装，将会大大提高微镜的器件性能以适应更高的探测需求。微光开关 光开关主要指基于 加工技术的新型机械式光开关，主要用于微镜和镜面阵列的形式切换、组装光学交叉连接（）、光分插复用（）、光路通断等等。传统机械开关基于宏观体光学，利用自由空间光学的优点。然而尺寸大、质量大、开关速度慢使得其在高速光传导和通信过程中受限很大。导波固态开关则由于其高损耗和高串扰限制了它们的可扩展性。光开关与 兼容，可靠性高、耦合损耗低、隔离度高、速率与调制方式无关的特点，可扩展性强，易于实现具有可重构无阻塞大规模光开关阵列，成为高速大容量光网络中光开关发展的主流方向。推出的著名的 光学开关是最早的商业化应用比较成熟的 光开关，如图所示，直径为 的圆形微镜悬挂在固定框架上，通过支撑铰链侧壁可以实现平面旋转 ，多晶硅层和氧化牺牲层的厚度均为微米量级。反射面由二组环组件支撑旋转，使反射面可以围绕第二个正交轴相对于环旋转，从而实现两个倾斜自由度。扭转弹簧由折叠的蛇形多晶硅梁组成，保障切换时间在几毫秒，同时保障结构与机械振动和低频噪声解耦。多晶硅反射面上淀积金膜，以确保在较宽的波长范围内具有良好的反射率。报道了利用硅微加工工艺实现的 光纤开关阵列，利用静电驱动的微反射镜来调节光束方向。反射镜由施加的偏置电压的静电力控制。利用准直光束光纤进行光耦合，获得了具有大的通断对比 度（）、小 串 扰（）、小 插 入 损 耗（）的光开关。随 着 工艺 的成熟，特别是纳米加工工艺的成熟，更快更小的光开关成为研究热点。等在 上报道了在纳米机械混合型光子开关。利用光电效应，通过对金薄膜进行静电微扰，形成气隙混合光子等离基元波导的纳米级，将等离激元部分限制在高度可变的气隙中产生很强的光电机械效应，而其余部分的光子限制可以将光学损失降至最低，在 级电压下实现低光学损耗（）、数十纳秒响应速度的光开关。图微米尺度和纳米尺度的 光开关器件 微光谱仪光谱仪通常由一个或几个衍射光栅、光路和一个探测器阵列构成。从微加工的微光谱仪实现方面，光学元件的质量和系统光对准直接影响分辨率。在气体探测应用方面，气路长度是影响检测气体灵敏度的一个重要因