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
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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）
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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。
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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）
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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
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