基于金属氧化物的乙醇检测气敏材料的研究进展(10)

异质结通过改变材料界面性质进而提升材料乙醇响应性能，由表3可以看出，异质结的构建显著提升了材料的选择性，材料对甲醇、甲醛、丙酮、氨气的响应值明显不及乙醇。此外，无机非金属材料如高聚物、碳材料、多孔硅等也可与MOx构建异质结结构，提升材料响应度和选择性，并为柔性MOS气体传感器的构建提供参考项。

3 基于MEMS工艺MOS气体传感器结构

从Semancik等[108]以互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺为基础制备出MEMS气体传感器开始，MEMS化学传感器逐步向高响应度、低温工作、低功耗方向发展。基于MEMS技术的MOS气体传感器（以下为MEMS气体传感器）是一类重要的半导体气体传感器，其尺寸可小至毫米级。MEMS气体传感器测试电路主要包括蛇形加热电路和叉指测试电路两部分。叉指电极可降低气敏薄膜的初始电阻，并增加接触面积、减少响应时间，广泛应用于生物化学、移动通讯、环境检测、非破坏性等相关测试[109]。常见的MEMS气体传感器结构包括堆积式结构、共平面式结构和双面式结构，如图7。

堆积式MEMS气体传感器主要有封闭膜式MEMS气体传感器、悬臂梁式MEMS气体传感器和桥式MEMS气体传感器。其中，Johnson等[110]早在1988年就设计制备了膜式MEMS气体传感器，而之后Suehle等[111]为实现微热板与集成电路的兼容，设计并制备了悬臂梁式MEMS气体传感器。堆积式微MEMS气体传感器包括多层结构，即衬底层、热绝缘层、加热电极、绝缘层、测试电极和气敏材料层等。其中衬底层主要采用Si基材料作为支撑层，此外，陶瓷、玻璃、塑料以及柔性材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）、聚酯（PET）等同样可作为支撑材料[112-114]。

共平面式MEMS气体传感器，顾名思义，即将叉指电极、加热电极、测温电极制作于同一层结构中。共平面式MEMS气体传感器与堆积式MEMS气体传感器相比，结构层数减少到4层，即衬底层、绝缘层、电极层和气敏材料层。电极层中，加热电极位于电极组的外围；叉指电极位于电极平面层的中央，这一方面有利于利用最外围加热电极的热量，另一方面可更有效地对气敏薄膜电阻进行测量。经过FEM模拟，此结构的温度分布均匀，能耗较低[112]。

图7 堆积式、共平面式和双面式MEMS气体传感器结构示意图

双面式结构MEMS气体传感器将加热电极与测试电极分别置于基底材料两侧，省去了硅体腐蚀工序，极大简化了制作流程。一般来说，双面式结构微MEMS气体传感器主要包括基底材料、测试电极、加热电极和气敏层，结构制备与堆积式MEMS气体传感器相似[13]。

目前，炜盛科技、日本FIGARO、日本FIS等均有相关MEMS气体传感器产品销售。针对MEMS气体传感器结构设计、制造，国内外各大公司进行了诸多规范化工作。在2018年，Micralyne展示了一款应用于环境传感的高度微型化MOS气体传感器MEMS工艺平台——MicraMOx平台。本地化的气体传感器，结合物联网（IoT）的应用，微型化MEMS气体传感器可经济地实现互联时空的环境气体传感，而标准工艺平台的建立，也昭示着MEMS半导体气体传感器的巨大市场与推动智能社会的潜力。

4 面临的机遇与挑战

4.1 材料选择

MOS气体传感器的气敏材料种类繁多，其中SnO2、ZnO、Co3O4等是研究最为广泛的乙醇气敏材料。目前商业化应用的SnO2气敏材料虽然在响应时间、响应度等方面优势明显，但是材料对环境要求较高，湿度、检测温度均限制其进一步应用。虽然研究通过掺杂、表面形貌改性等方式对材料进行了升级，但SnO2广谱材料的特性依然直接导致材料选择性能较差，未来MOS气体传感器的发展需要新型材料的研究推广。ZnO与SnO2一样，是一类典型的n型MOx，具有优良的光电效应、热力学稳定性和化学稳定性、较高的电子迁移率，但仍需调控降低检测温度的限制。以Co3O4为代表的一类p型MOx虽然对于检测气体的响应远不及n型MOx（通常仅为其平方根数量级）[33]，但p型MOx通常可作为气敏电阻器，即利用其催化性能，选择性氧化VOC等还原性气体，从而提升材料选择性[115]。此外，p型MOx稳定的基线对于气体检测具有一定的抗噪声能力，使之成为提升MOx选择性的优良选择。

考虑到目前MOx气敏材料研究遇到的瓶颈问题，从气敏机理入手，从材料的本征属性理解材料对目标气体的针对性吸附和反应，是提升MOx的根本途径。基于材料热力学、动力学的理论计算，建立气体扩散模型、气体吸脱附模型，模拟材料的作用机理，是解决MOS气体传感器选择性差的基础，也是MOx进一步发展的理论基础。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2020/0808/359.html