一种用于实时监测银纳米颗粒沉积和室内颗粒的MEMS传感器装置

能够集成进入有线/无线传感器网络的微型传感器，使环境参数的高保真、连续监测成为可能。利用这些传感器克服当前监测设备局限性的方向之一，是重量传感。

尽管已经开发出了一系列重量传感技术，但它们往往会因为尺寸、便携性、成本、功耗以及无法测量一些感兴趣的分析物而受到限制。在此背景下，MEMS和CMOS技术提供了一个很有前景的集成平台，能够实现气体分析和颗粒物监测重量传感器的小型化和集成，同时解决当前技术存在的许多局限性。

在重量测量传感应用中，MEMS传感器可以提供的额外优势包括感测直径小于100纳米的超细颗粒。由于这些超细颗粒对人类健康的有害影响，超细颗粒感测的重要性已得到广泛认可。

目前的感测方案包括商用冷凝颗粒计数器，但是这些计数器只提供了关于数量浓度的估计值，而不是总质量或质量浓度的直接测量值，并且，在检测之前还需要一个系统通过蒸汽冷凝将颗粒放大到足够大的直径。然后，当颗粒被收集到MEMS传感器的表面上，可以应用其他技术进行成分分析等进一步表征。

据麦姆斯咨询报道，英国剑桥大学纳米科学中心和工程系的一支研究团队近期在Sensors上发表了一篇题为“Towards Portable MEMS Oscillators for Sensing Nanoparticles”的论文。论文展示了MEMS传感器（硅上压电谐振质量传感器）在检测超细颗粒方面的适用性。

MEMS传感器的另一个优势是微型化和集成潜力，包括与CMOS超大规模集成（VLSI）工艺的制造兼容性。

MEMS振荡器此前已被证明是多种类型传感器的关键组件，包括质量传感器、检测分子相互作用的生物传感器、静电计、加速度计、AFM探针以及压力传感器等。在所有这些传感器中，MEMS振荡器的性能至关重要，通常是整个系统性能的关键因素。值得关注的是，硅上压电MEMS谐振器已成为振荡器和传感器极具前景的候选构建元件，它结合了良好的机电耦合特性，并改善了环境条件下相对于等效电容MEMS器件的功率处理。

对于将硅上压电谐振器集成为频率确定元件的振荡器，这些特性能够改善其相位噪声和频率稳定性。利用压电换能的这些优势，已有文献证明了其在重量传感中的应用，包括液体中的颗粒物检测和质量传感。

在论文中，研究人员报道了一种嵌入锁相振荡器回路中的压电换能体声MEMS谐振器，用于检测超细颗粒，例如实验室生成的银纳米颗粒和室内环境中观察到的颗粒。这项研究的重点是验证这种传感器在自然室内环境或受控实验过程中感测纳米颗粒的性能。这些器件的工作原理基于监测超细颗粒吸附到谐振器表面而造成的MEMS振荡器输出频移。

实验装置

研究人员在论文中详细介绍了两类实验装置：（i）室内颗粒实时监测装置和（ii）银纳米颗粒实时监测装置。具体来说，进行了两种类型室内颗粒的沉积，并且在这两种情况下，均未对室内大气中存在的颗粒进行尺寸选择。

本研究中使用的实验装置及其组件

MEMS冲击实验台（MIS）

MEMS谐振器位于MIS内，基于惯性冲击原理在谐振器表面上进行颗粒沉积。在该技术中，气流中大于一定尺寸的颗粒将通过喷嘴入口到达作为冲击板的MEMS谐振器表面。将一个真空泵连接在MIS排气口处，以便通过喷嘴入口将颗粒拉向MEMS谐振器表面。

MIS实验装置（左）及其分解图（右）

MEMS谐振器设计、制造和压电换能

本实验中使用的MEMS谐振器是一个边长为200 µm、硅器件层厚为10 µm的方形板。该方形板谐振器的两个角由T形锚梁固定。在硅器件层上沉积AlN层以实现压电换能。金属电极被图案化在压电材料的顶部，用于驱动谐振器并感测运动响应。

通过驱动电极施加交流电压以激励谐振器运动。结果，随时间变化的力被施加到谐振器，施加力的频率等于施加的交流信号频率。输出电信号由图案化在同一基板上的感应电极检测，如下图所示。

由T形锚梁悬挂的200 µm边长方形板MEMS谐振器的明场（a）和暗场（b，c）显微图像

将银纳米颗粒源连接到MIS装置，通过惯性冲击在MEMS谐振器表面沉积。

 

通过惯性冲击沉积在MEMS谐振器表面的室内颗粒

总体来说，该研究展示了一种用于实时监测银纳米颗粒沉积和室内颗粒的MEMS传感器装置，以期最终开发一种便携式重量传感设备。采用5.999 MHz硅上压电MEMS谐振器作为传感器元件，并集成在MEMS冲击实验台中，用于测试超细颗粒的检测。论文详细阐述了这种实验装置，评估揭示了MEMS元件周围可能影响响应的装置细节。根据所选择的采样时间和积分时间，测量的总质量范围高达7.993纳克，最小可检测质量极限为~60飞克至0.12皮克。

虽然本研究为将MEMS谐振器应用于颗粒监测测量的可行性提供了证据，但开发一种充分利用MEMS/电子协同集成优势的微型化仪器，还需要开展大量工作，并进一步优化流体和颗粒沉积机制。目前的研究结果表明，解决上述工程优化工作，可以为开发便携式、低成本的紧凑型颗粒监测仪器奠定基础。



审核编辑：刘清