MOEMS氣體傳感技術研究進展

微光機電系統（MOEMS）氣體傳感技術是光學式氣體傳感器技術與MOEMS技術、新材料技術相結合的創新型技術方案。MOEMS氣體傳感器具有更低的價格、更高的集成度、更強的抗干擾能力，以及更高的檢測精度。

據麥姆斯咨詢報道，針對MOEMS氣體傳感技術的研究進展，南京郵電大學的研究團隊進行了綜述分析，闡述了主要光學式氣體傳感系統的工作原理及系統結構、MOEMS氣體傳感技術中最新的微光學器件及微光學系統，并通過分析MOEMS氣體傳感器的主要研究成果，展望了該領域未來的研究重點及發展挑戰。相關內容以“MOEMS氣體傳感技術研究進展”為題，發表在《半導體光電》期刊上。

光學式氣體傳感器原理和結構

光學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相對成熟度高、產量最大、應用最廣，常用于CO2、CO、CH4、NO2、C2H2等氣體的高精度檢測，其優點是具有簡單可靠的氣室結構，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，通過檢測透射光的光強變化可以實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行技術分類，如圖1所示，具體可以分為紫外和可見光波段的差分光學吸收光譜技術（DOAS）、可見光和近紅外波段的差分吸收激光雷達技術（DIAL）、中紅外波段的非色散紅外光譜技術（NDIR）、紅外波段的傅里葉變換紅外光譜技術（FTIR），以及既可對可見光波段進行檢測又可以對紅外波段進行檢測的可調諧二極管激光吸收光譜技術（DLAS）。

圖1 基于氣體光譜分析技術的分類示意圖

吸收光譜式氣體傳感器是光譜分析技術與現代光學技術相結合的產物。其原理簡單，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（動鏡、定鏡、分束器）、光探測器、調理電路。

光學式氣體傳感器中的MOEMS組件

光學式氣體傳感器中的MOEMS基本系統組件包括光發射器、微鏡、微光開關以及微光譜儀。

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射率相對較高且成本低，開發更高效率以及實現更快調制頻率的光源是光源器件發展的趨勢。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射所需波長光的直接帶隙半導體材料。結構方面，MOEMS實現的光源發生器可以加工在陶瓷基底或者硅基底上，由于器件體積小、熱質量低，可以實現快速調制。圖2是利用絕緣體上硅（SOI）微加工技術制備的紅外發射器實例。

圖2 基于MEMS表面加工工藝制備的紅外發射器

微鏡是典型的MOEMS執行器件，用在MOEMS光學式氣體傳感器系統中可以實現平移和轉動控制光程長度調制，甚至可以替代分光器將光分裂成兩束，在相位移動后再重新組合輸出干涉圖進而得到光譜信息。常見的微鏡結構具有鏡面狀和梳狀兩種。運動的形式包括平面外移動、平面內移動以及旋轉三種。Thilo Sandner等人報道了一種用于小型FTIR光譜儀的MOEMS微鏡，可以實現快速光程長度調制，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微鏡的陣列，如圖3（b）所示。

圖3 （a）平面外移動振蕩的MOEMS微鏡；（b）平面內移動振蕩的梳齒狀MOEMS微鏡

MOEMS光開關主要指基于MEMS加工技術的新型機械式光開關，主要用于微鏡和鏡面陣列的形式切換、組裝光學交叉連接（OXC）、光分插復用（OADM）、光路通斷等。MOEMS光開關與IC兼容，具有可靠性高、耦合損耗低、隔離度高、速率與調制方式無關的特點，可擴展性強，易于實現具有可重構無阻塞大規模光開關陣列，成為高速大容量光網絡中光開關發展的主流方向。Aksyuk推出的著名的Wave Star光開關是最早的商業化應用比較成熟的MOEMS光開關，如圖4所示。

圖4 微米尺度和納米尺度的MOEMS光開關器件

光譜儀通常由一個或幾個衍射光柵、光路和一個探測器陣列構成。從微加工的微光譜儀實現方面，光學元件的質量和系統光對準直接影響分辨率。在氣體探測應用方面，氣路長度是影響檢測氣體靈敏度的一個重要因素。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氣體濃度進行檢測，是一款對環境濕氣不敏感的FTIR微光譜儀。該光譜儀通過SOI深硅蝕刻技術加工而成。

圖5 FTIR光學式氣體傳感器

結論及展望

目前，新型MOEMS氣體傳感器技術領域依然以傳統宏觀組件為主，關于MOEMS技術應用則主要集中在系統功能組件的設計和開發上，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，專用管殼內組合封裝可以實現對于沖擊、振動包括干擾氣體的過濾，對于MOEMS氣體傳感器的性能影響較大。

展望未來，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氣體測量技術的專用集成電路亦是未來的重點發展方向之一。

審核編輯：劉清