碳化硅基MEMS器件助力高性能氣體檢測應(yīng)用

MEMS器件廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、射頻、生物等領(lǐng)域，氣體檢測正是其重要應(yīng)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(zhì)之間的相互作用而實現(xiàn)氣體檢測目的。然而，氣敏層會導(dǎo)致器件出現(xiàn)老化、可靠性下降和響應(yīng)時間延長等問題。尤其是在一些特定的應(yīng)用中（例如惡劣環(huán)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。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，來自法國圖爾大學(xué)（University of Tours）、國家科學(xué)研究中心（CNRS）和波爾多大學(xué)（University of Bordeaux）的研究團(tuán)隊進(jìn)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(jī)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(jìn)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(fā)展成為高性能氣體傳感器奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Silicon-carbide-based MEMS for gas detection applications”為題發(fā)表在Materials Science in Semiconductor Processing期刊上。

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(jié)構(gòu)（橋、梁、板或膜）是使用硅或氮化硅等相關(guān)材料制備的，但在特定的應(yīng)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(tǒng)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(biāo)相悖。

碳化硅具有優(yōu)異的物理特性，例如抗輻射性和化學(xué)穩(wěn)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(tài)中，3C-SiC因其特有的適應(yīng)性，非常適合MEMS應(yīng)用。

基于3C-SiC的微懸臂梁，并結(jié)合電磁致動和電感檢測技術(shù)，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%和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(huán)境中使用，未來有望用于地下核廢料存儲設(shè)施的H?泄漏檢測。實際上，當(dāng)空氣中H?的濃度為4% ~ 70%時具有易燃性，因此必須對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。此外，在放射性環(huán)境中，使用基于3C-SiC的傳感器則顯得尤為重要。

圖1 基于3C-SiC的微懸臂梁，采用電磁驅(qū)動和電感測量實現(xiàn)氣體檢測

圖2 基于3C-SiC的微懸臂梁的諧振頻率隨周圍氣體濃度的變化關(guān)系（左圖：N?中的H?，右圖：N?中的CO?）

用于氣體檢測的CMUT器件

與3C-SiC微懸臂梁類似，CMUT也會因為周圍氣體的聲學(xué)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(dāng)超聲波發(fā)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(nèi)，面對面CMUT可用于實現(xiàn)超聲波的飛行時間（ToF）測量。

圖3 （a）使用直徑為25 μm的鋁線，在PCB上楔形鍵合3C-SiC微懸臂梁的全封裝原型和光學(xué)顯微圖像，以及（b）在PCB上楔形鍵合CMUT的光學(xué)顯微圖像

使用CMUT進(jìn)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(dá)到相似范圍的檢測限：對N?中的H?和CO?檢測限分別為0.15%和0.30%。這種檢測方法非常有潛力，與包含氣敏層的傳統(tǒng)氣體傳感器不同，這種傳感器通用性較強(qiáng)，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(jié)構(gòu)或設(shè)計。

圖4 通過CMUT測量飛行時間的相對變化隨周圍氣體濃度的變化關(guān)系（左圖：N?中的H?，右圖：N?中的CO?）

研究人員還監(jiān)測了另一個可通過CMUT檢測的物理參數(shù)：氣體的超聲衰減系數(shù)。實際上，當(dāng)從CMUT陣列發(fā)射器向CMUT陣列接收器發(fā)送連續(xù)的超聲正弦波時（相距d），信號在穿過氣體后會呈指數(shù)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(huán)境有關(guān)。

圖5 通過CMUT評估在N?中稀釋的3種不同氣體的超聲衰減系數(shù)（1 MHz頻率下）

圖6 通過CMUT陣列從純N?（圖中參考值0-0）開始，根據(jù)氣體環(huán)境變化測定氣體衰減系數(shù)和飛行時間的變化關(guān)系

目前，雖然完全基于3C-SiC材料的CMUT尚未實現(xiàn)，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(jié)晶3C-SiC膜，該成果為將來把基于碳化硅的CMUT發(fā)展成高性能氣體傳感器奠定了基礎(chǔ)。

論文信息：

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

審核編輯：劉清