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什么是MEMS催化燃燒氣體傳感器?

本文主要講述什么是MEMS催化燃燒氣體傳感器。

MEMS催化燃燒傳感器是一種用于檢測(cè)可燃?xì)怏w的微型化設(shè)備，它利用MEMS技術(shù)將傳統(tǒng)的催化燃燒傳感器小型化、集成化。MEMS催化燃燒傳感器的核心原理是 “無(wú)焰催化燃燒”，傳感器內(nèi)部通常包含兩個(gè)關(guān)鍵元件：檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件，檢測(cè)元件涂覆有催化劑，補(bǔ)償元件通常不涂覆催化劑或催化劑失活，用于環(huán)境補(bǔ)償。當(dāng)可燃?xì)怏w，如甲烷、氫氣等與檢測(cè)元件表面的催化劑接觸時(shí)，會(huì)在遠(yuǎn)低于其直接點(diǎn)燃溫度的條件下發(fā)生催化氧化反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生熱量，引起檢測(cè)元件的溫度變化，進(jìn)而導(dǎo)致其電阻變化。這兩個(gè)元件通常構(gòu)成惠斯通電橋，檢測(cè)元件電阻的變化會(huì)破壞電橋的平衡，輸出一個(gè)與氣體濃度成比例的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的定量檢測(cè)。

圖 催化燃燒氣體傳感器工作原理

一個(gè)典型的MEMS催化燃燒傳感器包括微加熱板和催化層。微加熱板基于硅基MEMS工藝制備，包含一個(gè)絕緣層、一個(gè)鉑微型加熱電極，以及背腔結(jié)構(gòu)以提供良好的熱隔離，減少熱量損失，降低功耗。催化層是傳感器的“嗅覺(jué)”核心，通過(guò)絲網(wǎng)印刷或磁控濺射或旋涂等技術(shù)，將高比表面積的載體，如多孔陶瓷、介孔氧化鋁薄膜等和貴金屬催化劑，如鉑Pt、鈀Pd或其合金納米顆粒形成的復(fù)合材料，精確地沉積在微加熱板上。檢測(cè)元件和參考元件通常對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，參考元件只有載體材料。

圖SGX Sensortech MP7227MEMS芯片

市面上較為成熟的產(chǎn)品為SGX Sensortech MP7227，它是一款用于甲烷檢測(cè)的微型MEMS傳感器，具有低功耗和抗中毒特性，適用于電池供電的便攜檢測(cè)儀。MP7227采用硅基MEMS工藝制造，MEMS芯片背面通過(guò)濕法腐蝕技術(shù)制作了兩個(gè)硅槽，這種結(jié)構(gòu)有助于熱隔離，減少熱量損失，從而降低功耗。芯片正面則形成了兩個(gè)懸膜，分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)區(qū)和補(bǔ)償區(qū)，敏感材料(如催化劑)通過(guò)絲網(wǎng)印刷等方式沉積在這些區(qū)域。為了確保在工業(yè)環(huán)境中的可靠性和安全性，MP7227采用了防爆金屬外殼，內(nèi)部還包含金屬燒結(jié)網(wǎng)，用于阻燃、機(jī)械防護(hù)和抗氣流干擾，以及干燥劑等結(jié)構(gòu)。