碳化硅基MEMS器件，助力高性能氣體檢測應用

原創 MEMS 2024-01-23 00:02

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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。

據麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，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。相關研究成果以“Silicon-carbide-based MEMS for gas detection applications”為題發表在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%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。

圖1 基于3C-SiC的微懸臂梁，采用電磁驅動和電感測量實現氣體檢測

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。

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顯微圖像，以及（b）在PCB上楔形鍵合CMUT的光學顯微圖像

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?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。

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系（左圖：N?中的H?，右圖：N?中的CO?）