碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用

MEMS器件广泛应用于机械、光学、射频、生物等领域，气体检测正是其重要应用方向之一。气体检测最常用的方法是基于气敏涂层的传感器，利用其气敏层与被检测物质之间的相互作用而实现气体检测目的。然而，气敏层会导致器件出现老化、可靠性下降和响应时间延长等问题。尤其是在一些特定的应用中（例如恶劣环境），MEMS器件制备常用的硅（Si）或硅基材料无法满足需求，而碳化硅（SiC）由于出色的物理性能，成为制备高性能MEMS器件的理想材料。

据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，来自法国图尔大学（University of Tours）、国家科学研究中心（CNRS）和波尔多大学（University of Bordeaux）的研究团队进行了深入分析，重点介绍了两种用于气体检测的器件：基于立方多晶型碳化硅（3C-SiC）微悬臂梁的MEMS器件；基于振膜的电容式微机械超声换能器（CMUT）。这两种器件的共同特点是没有气敏层，能够通过测量气体的物理特性来进行检测。研究人员还探索了使用3C-SiC材料制备CMUT的新方法，为将来把基于碳化硅的CMUT发展成为高性能气体传感器奠定了基础。相关研究成果以“Silicon-carbide-based MEMS for gas detection applications”为题发表在Materials Science in Semiconductor Processing期刊上。

用于气体检测的3C-SiC微悬臂梁MEMS器件

通常，MEMS器件的有源结构（桥、梁、板或膜）是使用硅或氮化硅等相关材料制备的，但在特定的应用中这些材料存在局限性，可能需要在器件上额外集成冷却系统或屏蔽辐射装置。这些附加装置会增加器件体积和重量，与MEMS器件的微型化目标相悖。

碳化硅具有优异的物理特性，例如抗辐射性和化学稳定性，基于碳化硅的MEMS器件可以有效解决上述问题，使其成为制备MEMS器件的理想材料。在多种碳化硅多晶形态中，3C-SiC因其特有的适应性，非常适合MEMS应用。

基于3C-SiC的微悬臂梁，并结合电磁致动和电感检测技术，研究人员成功测量了氮气（N₂）中不同气体的浓度，其中氢气（H₂）和二氧化碳（CO₂）的检测限分别低至0.2%和0.25%。由于3C-SiC材料的独特物理特性，这些器件可以在恶劣环境中使用，未来有望用于地下核废料存储设施的H₂泄漏检测。实际上，当空气中H₂的浓度为4% ~ 70%时具有易燃性，因此必须对其进行持续监测。此外，在放射性环境中，使用基于3C-SiC的传感器则显得尤为重要。

图1 基于3C-SiC的微悬臂梁，采用电磁驱动和电感测量实现气体检测

图2 基于3C-SiC的微悬臂梁的谐振频率随周围气体浓度的变化关系（左图：N₂中的H₂，右图：N₂中的CO₂）

用于气体检测的CMUT器件

与3C-SiC微悬臂梁类似，CMUT也会因为周围气体的声学特性变化而引起共振频率的改变。这项研究中制备的CMUT振膜尺寸为32 μm × 32 μm，共振频率约为8 MHz。由于CMUT既可以充当超声波发射器，又可以作为接收器，因此在低于共振频率（8 MHz）的情况下，即1 MHz范围内，面对面CMUT可用于实现超声波的飞行时间（ToF）测量。

图3 （a）使用直径为25 μm的铝线，在PCB上楔形键合3C-SiC微悬臂梁的全封装原型和光学显微图像，以及（b）在PCB上楔形键合CMUT的光学显微图像

使用CMUT进行超声波的飞行时间测量，与使用3C-SiC微悬臂梁测量一样，可以达到相似范围的检测限：对N₂中的H₂和CO₂检测限分别为0.15%和0.30%。这种检测方法非常有潜力，与包含气敏层的传统气体传感器不同，这种传感器通用性较强，能够高效检测多种不同气体，且无需针对不同气体更改器件的结构或设计。

图4 通过CMUT测量飞行时间的相对变化随周围气体浓度的变化关系（左图：N₂中的H₂，右图：N₂中的CO₂）

研究人员还监测了另一个可通过CMUT检测的物理参数：气体的超声衰减系数。实际上，当从CMUT阵列发射器向CMUT阵列接收器发送连续的超声正弦波时（相距d），信号在穿过气体后会呈指数级衰减。一旦两个CMUT面之间的传输距离d固定，超声正弦波的衰减就只与气体环境有关。

图5 通过CMUT评估在N₂中稀释的3种不同气体的超声衰减系数（1 MHz频率下）

图6 通过CMUT阵列从纯N₂（图中参考值0-0）开始，根据气体环境变化测定气体衰减系数和飞行时间的变化关系

目前，虽然完全基于3C-SiC材料的CMUT尚未实现，但此项研究工作中，研究人员探索了基于3C-SiC材料制备CMUT的新方法，成功地在3C-SiC伪基底上获得了结晶3C-SiC膜，该成果为将来把基于碳化硅的CMUT发展成高性能气体传感器奠定了基础。

论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107986

审核编辑：刘清