面向光声气体痕量检测的高灵敏度电容式MEMS

气体传感器在工业和城市气体排放的监测和控制方面发挥着至关重要的作用。对于人类健康相关的应用，例如呼吸分析或有毒/爆炸性气体（如甲烷）的检测，需要高灵敏度、高选择性且紧凑的气体传感器。气体传感器的小型化不仅可以提高成本效益，还能增加便携性，使其适用于更广泛的应用领域。

过去十年来，业界开发了多种气体传感器来检测并分析各种气体。最常用的气体传感器包括电化学、半导体以及红外（IR）气体传感器。电化学和半导体气体传感器具有紧凑性和相对低成本的特点。电化学传感器检测的是电化学反应过程中的电子迁移，而半导体传感器通过测量目标气体分子吸收引起的电阻变化来工作。

这两类传感器对甲烷等气体的检测都很敏感，其中电化学传感器和半导体传感器的检测极限分别低于9 ppmv和5 ppmv。然而，由于湿度和温度的影响，以及与化学反应相关的消耗问题，这些传感器的可靠性会降低，因而寿命有限。此外，某些气体可能会出现交叉灵敏度，使这些气体传感器的选择性降低。

在各种检测技术中，可调谐激光二极管光谱法（TDLS）在选择性、可靠性和灵敏度方面兼具优势。它还能够达到ppb级的检测水平，可用于甲烷检测。该技术包括半导体调制红外激光器，其波长对应于目标气体的吸收线。

TDLS检测利用光电二极管测量穿过气室的激光强度。根据比尔-朗伯（Beer–Lambert）定律，红外吸收技术的灵敏度与吸收路径的长度成正比，这意味着性能取决于传感器的尺寸。因此，这种技术的主要缺点是很难实现紧凑性。这个问题可以通过采用光声光谱技术来克服，与TDLS相比，光声光谱法在测量光吸收的方式上有所不同。

在激光被目标气体吸收后，被激发的气体分子将在非辐射跃迁后返回其基本能量水平。这将增加分子的动能，并在激光调制的相同频率下产生介质的周期性加热，从而产生具有相同周期的声波。

由此，光声光谱法采用声学传感器实现测量，而非光电探测器。在这种情况下，传感器的灵敏度与激光器的功率成比例，而不是光路，这使得开发小体积气体测量的紧凑型气体传感器成为可能。

每种光声技术都由其声传感器来定义。目前，使用最多的光声光谱技术包括：MPAS（基于麦克风的光声光谱技术），采用电容换能的麦克风；CEPAS（悬臂梁增强型光声光谱技术），是一种基于新型硅微悬臂梁传声器的改进型光声光谱技术；QEPAS（石英增强型光声光谱技术），采用压电换能的石英音叉（QTF）。

MPAS的主要缺点是环境背景对测量的干扰。至于CEPAS，尽管它具有较高的灵敏度，但光声池需要的待测气体量大，并且存在共振漂移。而对于裸QEPAS，声波和音叉叉指间存在较差的空间重叠，这导致信噪比（SNR）降低。

上述不同缺点源自这些声学传感器中没有一个是完全为光声光谱技术而设计的。在此背景下，法国蒙彼利埃大学（University of Montpellier）的研究人员采用一种创新方案，开发了一种紧凑且集成化如麦克风，清晰共振如QTF的硅基MEMS传感器。研究人员最初在2019年提出了这种技术，称之为MEMPAS（MEMS增强光声光谱技术）。

该方案采用在绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造的电容式硅微机械谐振器。硅的使用使其具有成熟CMOS技术的优势，尤其是精确的尺寸控制、集成化和批量生产的成本降低。此外，电容式传感是一种有吸引力的方案，它提供了简单的结构；可以用高掺杂硅作电容电极，而不必进行金属沉积。

理想的电容器没有固有噪声，适用于低噪声传感。这些特性可以专门设计用于光声气体传感的传感器结构。有证据表明，与麦克风相比，它可以提供更高的品质因数。

不过，研究人员开发的第一款原型的性能远未达到最先进水平。这主要源于基于间隙减小的电容换能机制，由于两个电极之间接近而产生重要的粘性压膜效应。

这种效应减少了机械谐振器的位移，限制了电容变化，从而使其灵敏度也受限。为了将这种影响降至最低，应减小谐振器表面。然而，这又会减少光声能的收集，意味着电容换能表现出相反的物理趋势。造成这种问题的原因是同一部件承担了两种功能：光声能量收集和电容换能。

为了克服这个问题，研究人员提出了一种被称为“H谐振器”的创新设计，它将这两个功能分配给两个不同的部分。这种H谐振器表现出接近裸QEPAS技术的性能，通过改善光声能量收集、可移动电极的位移和标称电容，有望实现卓越的灵敏度。这项研究成果已发表于近期的Sensors期刊。

H谐振器在光声激励下偏转的示意图。H谐振器分为两部分：中心部分专用于光声能量收集，臂部分专用于电容换能。激光束的光轴垂直于谐振器，并聚焦在其中间。由于对调制激光的吸收而产生声波。

MEMS器件在其谐振频率下的运动仿真

研究人员在最新的研究中重点改进了H谐振器。目标是开发用于光声气体痕量检测的高灵敏度电容式MEMS。在这项工作中，研究人员进行了电学表征，以确定谐振器的频率响应和标称电容。

应用MEMS增强光声光谱技术进行甲烷检测的系统设计示意图

此外，研究人员在不使用声腔的光声激励下，在目标气体的校准浓度下检测了传感器的线性度。最后，根据检测极限（LOD）和归一化噪声等效吸收（NNEA）对所开发传感器的性能进行了评估。

在文章中，研究人员展示了利用所开发气体传感器进行甲烷检测的工作原理。不过，值得注意的是，这种传感器可以用于检测各种气体，不仅仅是甲烷。因为这种气体传感器基于光声光谱技术，通过更换传感器中使用的激光器，其可用于检测任何气体，因此具有高度的通用性，适用于多种应用领域。

论文链接：https://doi.org/10.3390/s23063280

审核编辑 ：李倩