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    碳化硅基MEMS器件助力高性能氣體檢測應用

    原創文章 發布人:互聯網 發布時間:2024-01-16 09:26

    MEMS器件廣泛應用于機械、光學、射頻、生物等領域,氣體檢測正是其重要應用方向之一。氣體檢測最常用的方法是基于氣敏涂層的傳感器,利用其氣敏層與被檢測物質之間的相互作用而實現氣體檢測目的。然而,氣敏層會導致器件出現老化、可靠性下降和響應時間延長等問題。尤其是在一些特定的應用中(例如惡劣環境),MEMS器件制備常用的硅(Si)或硅基材料無法滿足需求,而碳化硅(SiC)由于出色的物理性能,成為制備高性能MEMS器件的理想材料。來自法國圖爾大學(University of Tours)、國家科學研究中心(CNRS)和波爾多大學(University of Bordeaux)的研究團隊進行了深入分析,重點介紹了兩種用于氣體檢測的器件:基于立方多晶型碳化硅(3C-SiC)微懸臂梁的MEMS器件;基于振膜的電容式微機械超聲換能器(CMUT)。這兩種器件的共同特點是沒有氣敏層,能夠通過測量氣體的物理特性來進行檢測。研究人員還探索了使用3C-SiC材料制備CMUT的新方法,為將來把基于碳化硅的CMUT發展成為高性能氣體傳感器奠定了基礎。

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    用于氣體檢測的3C-SiC微懸臂梁MEMS器件

    通常,MEMS器件的有源結構(橋、梁、板或膜)是使用硅或氮化硅等相關材料制備的,但在特定的應用中這些材料存在局限性,可能需要在器件上額外集成冷卻系統或屏蔽輻射裝置。這些附加裝置會增加器件體積和重量,與MEMS器件的微型化目標相悖。

    碳化硅具有優異的物理特性,例如抗輻射性和化學穩定性,基于碳化硅的MEMS器件可以有效解決上述問題,使其成為制備MEMS器件的理想材料。在多種碳化硅多晶形態中,3C-SiC因其特有的適應性,非常適合MEMS應用。

    基于3C-SiC的微懸臂梁,并結合電磁致動和電感檢測技術,研究人員成功測量了氮氣(N?)中不同氣體的濃度,其中氫氣(H?)和二氧化碳(CO?)的檢測限分別低至0.2%0.25%。由于3C-SiC材料的獨特物理特性,這些器件可以在惡劣環境中使用,未來有望用于地下核廢料存儲設施的H?泄漏檢測。實際上,當空氣中H?的濃度為4% ~ 70%時具有易燃性,因此必須對其進行持續監測。此外,在放射性環境中,使用基于3C-SiC的傳感器則顯得尤為重要。

     

    用于氣體檢測的CMUT器件

    3C-SiC微懸臂梁類似,CMUT也會因為周圍氣體的聲學特性變化而引起共振頻率的改變。這項研究中制備的CMUT振膜尺寸為32 μm × 32 μm,共振頻率約為8 MHz。由于CMUT既可以充當超聲波發射器,又可以作為接收器,因此在低于共振頻率(8 MHz)的情況下,即1 MHz范圍內,面對面CMUT可用于實現超聲波的飛行時間(ToF)測量。

    使用CMUT進行超聲波的飛行時間測量,與使用3C-SiC微懸臂梁測量一樣,可以達到相似范圍的檢測限:對N?中的H?CO?檢測限分別為0.15%0.30%。這種檢測方法非常有潛力,與包含氣敏層的傳統氣體傳感器不同,這種傳感器通用性較強,能夠高效檢測多種不同氣體,且無需針對不同氣體更改器件的結構或設計。

    研究人員還監測了另一個可通過CMUT檢測的物理參數:氣體的超聲衰減系數。實際上,當從CMUT陣列發射器向CMUT陣列接收器發送連續的超聲正弦波時(相距d),信號在穿過氣體后會呈指數級衰減。一旦兩個CMUT面之間的傳輸距離d固定,超聲正弦波的衰減就只與氣體環境有關。

     

    目前,雖然完全基于3C-SiC材料的CMUT尚未實現,但此項研究工作中,研究人員探索了基于3C-SiC材料制備CMUT的新方法,成功地在3C-SiC偽基底上獲得了結晶3C-SiC膜,該成果為將來把基于碳化硅的CMUT發展成高性能氣體傳感器奠定了基礎。


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