中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
微光機電系統（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、更強的抗干擾能力，以及更高的檢測精度。
針對MOEMS氣體傳感技術(shù)的研究進(jìn)展，南京郵電大學(xué)的研究團隊進(jìn)行了綜述分析，闡述了主要光學(xué)式氣體傳感系統的工作原理及系統結構、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，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。相關(guān)內容以“MOEMS氣體傳感技術(shù)研究進(jìn)展”為題，發(fā)表在《半導體光電》期刊上。
光學(xué)式氣體傳感器原理和結構
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)相對成熟度高、產(chǎn)量最大、應用最廣，常用于CO2、CO、CH4、NO2、C2H2等氣體的高精度檢測，其優(yōu)點(diǎn)是具有簡(jiǎn)單可靠的氣室結構，調換光源對應不同的吸收光譜就可以實(shí)現檢測不同的氣體。
吸收光譜式氣體傳感器的吸收光度與待測氣體的濃度有關(guān)，通過(guò)檢測透射光的光強變化可以實(shí)現不同氣體濃度檢測。吸收光譜式氣體傳感器根據探測吸收的響應波段進(jìn)行技術(shù)分類(lèi)，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），以及既可對可見(jiàn)光波段進(jìn)行檢測又可以對紅外波段進(jìn)行檢測的可調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(lèi)示意圖
吸收光譜式氣體傳感器是光譜分析技術(shù)與現代光學(xué)技術(shù)相結合的產(chǎn)物。其原理簡(jiǎn)單，系統的基本構成組件也相對較少，主要包括光源、氣室、反射光路、干涉儀（動(dòng)鏡、定鏡、分束器）、光探測器、調理電路。
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體光源，包括發(fā)光二極管、激光二極管和分布反饋式半導體激光器。傳統的吸收光譜式氣體傳感器中使用的光源發(fā)射率相對較高且成本低，開(kāi)發(fā)更高效率以及實(shí)現更快調制頻率的光源是光源器件發(fā)展的趨勢。目前，大量研究都是從材料和光源器件結構方面入手。材料方面，由于間接帶隙半導體輻射躍遷幾率小，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(cháng)光的直接帶隙半導體材料。結構方面，MOEMS實(shí)現的光源發(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)現快速調制。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執行器件，用在MOEMS光學(xué)式氣體傳感器系統中可以實(shí)現平移和轉動(dòng)控制光程長(cháng)度調制，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)的微鏡結構具有鏡面狀和梳狀兩種。運動(dòng)的形式包括平面外移動(dòng)、平面內移動(dòng)以及旋轉三種。Thilo Sandner等人報道了一種用于小型FTIR光譜儀的MOEMS微鏡，可以實(shí)現快速光程長(cháng)度調制，如圖3（a）所示。Danick Briand等人報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、速率與調制方式無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，可擴展性強，易于實(shí)現具有可重構無(wú)阻塞大規模光開(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(zhù)名的Wave Star光開(kāi)關(guān)是最早的商業(yè)化應用比較成熟的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)探測器陣列構成。從微加工的微光譜儀實(shí)現方面，光學(xué)元件的質(zhì)量和系統光對準直接影響分辨率。在氣體探測應用方面，氣路長(cháng)度是影響檢測氣體靈敏度的一個(gè)重要因素。Mazen等人報道了基于中紅外（MIR）光譜范圍的氣體檢測的MOEMS光譜儀。圖5是利用中紅外光譜對CO2氣體濃度進(jìn)行檢測，是一款對環(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)域依然以傳統宏觀(guān)組件為主，關(guān)于MOEMS技術(shù)應用則主要集中在系統功能組件的設計和開(kāi)發(fā)上，其氣體系統微型化設計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(zhuān)用管殼內組合封裝可以實(shí)現對于沖擊、振動(dòng)包括干擾氣體的過(guò)濾，對于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、新結構方面加強研究。此外，大部分的MOEMS氣體傳感器系統采用板級電路，因此MOEMS氣體測量技術(shù)的專(zhuān)用集成電路亦是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。
