引言
气体传感技术近年来取得了显著进步，市场对能够同时检测多种气体并且功耗低的微型传感器需求不断增长。这些创新对医疗保健、环境监测和消费电子等新兴应用领域非常重要。本文探讨了一种先进的气体传感器微型化方法，该方法使用膜式表面应力传感器(MSS)叠加在互补金属氧化物半导体(CMOS)技术上，创建了高效的多模式气体传感器系统[1]。
微型多模式气体传感器的需求
现代气体传感应用需要不仅体积小、能源效率高，还能够以高灵敏度检测多种气体的器件。传统气体传感器在尺寸、功耗和可扩展性方面存在显著局限，使其不适合许多新兴应用。将多个传感通道集成到单个紧凑器件中是该领域的主要挑战。
常规气体传感技术通常通过基板上的布线连接传感器和CMOS芯片，导致臃肿的形状，需要复杂且昂贵的封装。这些设计难以扩展到多传感器阵列，限制了在便携和可穿戴器件中的应用。最近使用MEMS-CMOS堆叠的方法显示出希望，但在增加通道数量和降低功耗方面仍面临挑战。
图1：基于MSS技术的多模式气体感知的概念图，显示了潜在应用，包括呼吸分析、可穿戴集成、智能食品监测标签和可摄入传感器。
如图1所示，微型化气体传感器可实现多种应用，包括通过可穿戴设备进行日常呼吸分析、通过可摄入药丸进行体内测量，以及通过智能标签监测食品新鲜度。这些应用需要兼具小尺寸和多气体检测能力，同时功耗极低的传感器。
MSS技术：理想的气体传感元件
膜式表面应力传感器(MSS)因其紧凑尺寸、低功耗和高灵敏度的组合，代表了理想的气体传感元件。MSS对多模式传感特别有价值的是，通过在膜表面应用各种受体材料，能够检测和区分多种不同气体。
MSS设计由嵌入四个窄桥中的压阻器组成，这些窄桥支撑硅基绝缘体(SOI)基底上的硅薄膜。这些压阻器互连形成惠斯通桥线路。反面有一个用于气体流动的开放腔，而气体敏感受体材料涂覆在硅薄膜上。
当气体分子被受体吸附时，受体膨胀，导致硅膜向上弯曲。这种弯曲产生的应力传递到压阻器，改变其电阻。四个压阻器惠斯通桥的差分排列提供了比一端固定的传统悬臂式元件高100多倍的灵敏度。
MSS设计的一个关键优势是不同类型的敏感受体可以应用于每个通道，实现对不同气体的独特响应。这种多功能性允许创建能够区分复杂气体混合物的传感器阵列，例如从呼吸样本中识别癌症患者，正如之前研究所证明的。
专用读出线路架构
为了有效捕获MSS的差分电压输出，开发了专用读出线路。该线路在将MSS中的微妙电阻变化转换为与气体浓度线性相关的稳定数字输出方面起着关键作用。
图2：MSS差分电压读出线路的电路示意图，显示了差分电压到电流转换、松弛振荡器和数字计数器。
图2说明了多模式气体传感器读出线路图。16个通道中的每一个都由MSS、差分电压到电流(DV/I)转换线路、两个松弛振荡器和两个计数器组成。来自恒流发生器的电流和由亚阈值带隙参考(SBGR)线路产生的用于偏置振荡器的参考电压在所有通道之间共享，促进高效设计。
MSS惠斯通桥通过四个端子连接到CMOS读出线路：VI、VO、VP和VN。电流通过VI流向桥，而VO连接到读出线路的接地。当MSS上的受体吸附气体分子时，桥的电阻平衡改变，改变VP和VN之间的差分电压。这种电压变化通过DV/I转换器转换为电流变化(ISENS)。
ISENS作为两个松弛振荡器之一的参考电流，确定其振荡频率(fSENS)。另一个振荡器用恒定电流(IREF)运行，产生参考频率(fREF)。通过取这些频率的比率(Rf = fSENS/fREF)，有效抑制了供电噪声等共模干扰，产生稳定的数字输出，与气体浓度线性变化。
MSS-CMOS集成：紧凑系统设计
MSS和CMOS组件的物理集成代表了气体传感器设计的重大进步。通过将MSS直接堆叠在CMOS芯片上，最小化了两个组件之间的布线，形成了具有改进信号完整性的紧凑形态。
图3：显示MSS-CMOS多模式气体传感器模块和芯片组件的显微照片，包括4×4通道阵列和线路布局。
图3提供了原型实现的详细显微照片。传感器具有4×4通道阵列，总面积为3.5×3.5mm²。传感器表面有对应每个通道的0.3mm直径开口，用于气体流动，位于MSS传感器阵列上方，该阵列面向底层CMOS芯片堆叠。
MSS中的压阻器通过离子注入制造，铝布线沉积形成线路连接。每个MSS惠斯通桥的四个端子通过带微凸点的电极垂直连接到CMOS芯片。CMOS芯片本身使用标准180nm工艺制造。
这种设计的一个关键优势是其可扩展性。由于每个通道的读出线路设计与其上方的MSS尺寸匹配，阵列可以轻松扩展以包含任意数量的通道。这种模块化方法使定制不同传感需求不需要重大重新设计。
性能评估和实验结果
读出线路的性能在各种操作条件下进行了全面评估，以确保稳健性和可靠性。初步测试涉及从外部电源提供MSS的差分电压，并测量对电压变化的频率比移位(ΔRf)响应。
图4：性能评估结果显示读出线路对外部提供的差分电压在各种温度、供电电压、共模电压和偏移电压条件下的响应。
如图20.1.4所示，频率比移位(ΔRf)在对数-对数图上对差分电压变化表现出很线性的响应。该线路在-20至80°C的温度变化和1.7至2V的供电电压(VDD)变化下成功检测到小至0.1mV的差分电压变化。在400至900mV的共模电压(VCM)变化和-50至50mV的偏移电压(VOFFSET)变化下也观察到类似的线性响应。
对VCM变化响应的稳定性通过调整惠斯通桥电流实现灵敏度校正。同时，对VOFFSET变化的容忍性确保了对压阻器制造变化的稳健性，这对可靠的大规模生产至為重要。
实际气体检测性能
使用不同通道涂有专门针对各种气体的敏感受体的原型阵列验证了传感器对实际气体的功能。测试腔放置在传感器上方引入目标气体，控制目标气体与基线氮气(N2)之间的交替。
图5：NH3和甲苯检测的测量设置和结果，显示多模式气体传感器的噪声消除能力和快速响应特性。
图5呈现了氨(NH3)和甲苯气体的时间序列测量数据。数据以1秒间隔采集，采样时间为10ms，传感器线路与FPGA之间的通信处理数字控制信号。虽然电源噪声影响振荡频率(fSENS)，但通过与经历相同噪声影响的fREF比率显著抑制了这种影响。
从5分钟基线测量计算的基线稳定性显示3σ值仅为0.000279，表明出色的噪声性能。当从N2切换到500ppm NH3和从N2切换到500ppm甲苯时，观察到明显的响应。传感器对500ppm NH3表现出快速响应时间，仅需12秒即可达到稳定值的90%。
NH3和甲苯测量之间观察到的基线偏移可归因于测量环境温度的变化。这强调了温度补偿在气体传感应用中的重要性。
灵敏度、温度和湿度特性
进一步测试对传感器对不同浓度气体的灵敏度及其在不同温度和湿度条件下的性能进行了表征。
图6：测量结果显示多模式气体传感器的NH3浓度依赖性和温度/湿度传感能力。
如图6所示，在25°C的温度控制环境下，NH3浓度逐步变化，记录了气体暴露50秒期间的平均响应。在对数-对数图上，ΔRf与NH3浓度呈线性关系。基于先前观察到的3σ基线变化，NH3的检测限(LoD)确定为令人印象深刻的0.1ppm。
多模式气体传感器还展示了超越气体检测的能力。由于MSS中压阻器的温度依赖性，基线频率比随温度线性变化。由于完全在CMOS芯片内生成的fREF也随温度线性变化，它可以作为温度传感器补偿-20至80°C的基线温度变化。
此外，传感器对湿度变化表现出线性响应，适应20至100%的相对湿度变化。这种多参数传感能力为传感器系统增加了显著价值，实现环境补偿以获得更准确的气体测量。
性能比较和优势
所开发的多模式气体传感器在尺寸、功耗和灵敏度方面相比现有技术提供显著优势。
引用论文提出的气体传感器与其他ISSCC展示的气体传感器相比，实现了每通道最小芯片尺寸。与最新类似传感器相比，其每通道有效功耗不到六分之一，仅为1.47mW/ch。传感器还展示了出色的灵敏度，NH3的检测限低于1ppm(具体为0.1ppm)，使其非常适合实际应用。
结论
本文介绍的异构多模式气体传感器代表了气体传感技术的重大进步。通过在垂直堆叠配置中结合MSS传感器与专用CMOS读出线路，该设计实现了小尺寸、低功耗和高灵敏度的空前组合。
这款16通道传感器系统，尺寸仅为3.5×3.5mm²，每通道功耗为1.47mW，展示了在保持出色性能特性的同时扩展气体传感器阵列的潜力。能够以高灵敏度检测多种气体，加上集成的温度和湿度传感能力，使这项技术特别适合医疗监测、环境传感和食品安全应用。
随着微型化气体传感器继续发展，像此处描述的MSS-CMOS堆叠等技术将在推动新应用方面发挥越来越重要的作用，这些应用因尺寸、功耗或灵敏度限制而以前不切实际。气体传感的未来看起来越来越紧凑、高效，并且能够以更高精度检测更广泛范围的化学化合物。
参考文献
[1] K. Naruse et al., "A 3.5×3.5mm² 1.47mW/ch 16-Channel MSS-CMOS Heterogeneous Multi-Modal-Gas-Sensor Chip Stack," in 2025 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), Feb. 2025.
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