近年來，光聲光譜（PAS）技術憑借高靈敏度、高選擇性以及零背景檢測能力，在痕量氣體檢測領域取得了快速發展。光聲光譜技術將吸收的光能轉化為壓力波，能夠以無創且高靈敏度的方式對氣體成分進行定性和定量分析。這些優勢使得光聲光譜成為環境監測、工業過程控制、醫療診斷等領域極具吸引力的技術。隨著研究不斷推動光聲光譜技術向更低檢測限和更廣泛適用性發展，小型化、高穩定性聲換能器的研發已成為提升系統性能的關鍵。因此，光聲池和傳感器的設計對于實現高精度測量也變得愈發重要。
MEMS器件體積小、功耗低、支持片上集成，是實現微型光聲光譜系統的理想方案。據麥姆斯咨詢報道，哈爾濱工業大學（深圳）和機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所的研究團隊近期設計了一款集成壓阻角度傳感器的MEMS振鏡，能夠在寬泛的氣體濃度范圍內線性采集光聲信號。為進一步增強氣體檢測靈敏度，該研究采用了光聲光譜雙諧振系統。最后，在光聲光譜系統中引入所制備的MEMS振鏡實現了二氧化碳（CO?）檢測。該MEMS方案為研發高性能微型光聲光譜系統提供了極具前景的技術路線。相關研究成果已經以“A MEMS Skewed Oscillating Mirror with Built-In Piezoresistive Sensor for Photoacoustic Gas Detection”為題發表于2026 IEEE MEMS會議。
圖1 集成壓阻角度傳感器的MEMS振鏡示意圖
器件設計
圖1為適配光聲氣體檢測、集成兩組壓阻傳感器的MEMS振鏡結構示意圖。矩形鏡面通過偏置端的兩根扭桿支撐。非對稱偏置結構擴大了聲波接收面積，可產生更大扭轉力矩，實現更大振動幅值。鏡面隨扭桿周期性振動時，扭桿根部產生應力應變，應力場沿扭桿呈45°梯度分布。
基于上述應力分布，在該區域植入離子摻雜電阻構成全惠斯通電橋：四支電阻正交排布，用于檢測鏡面扭轉角度。鏡面左右擺動時，電阻對（R?、R?）與（R?、R?）分別與應力梯度方向保持一致，可精準采集扭桿根部應變。差分放大輸出信號與鏡面扭轉角成正比，同時抑制面外平移帶來的干擾。依托結構對稱性，兩根扭桿根部各布置一組惠斯通電橋傳感器。
圖2 MEMS振鏡與光聲腔的本征頻率仿真
器件制備
圖3展示了集成壓阻傳感器的MEMS振鏡制造工藝。首先，采用4英寸絕緣體上硅（SOI）晶圓（50–1–525 μm），電阻率0.01Ωcm，通過干法熱氧化形成一層30 nm的SiO?層，以最小化溝道效應并作為離子注入的緩沖層。然后，低劑量摻雜區域以40 keV，2.5 x 1013 ions/cm2注入n型磷，高劑量摻雜區域則以45 keV，5 x 101? ions/cm2注入。然后在1050℃下退火30分鐘以激活傳感器，通過PECVD沉積一層300 nm的SiO?絕緣層。
圖3 集成壓阻傳感器MEMS振鏡的制備工藝
隨后通過干法蝕刻開出電互連窗口，濺射并圖案化Cr-Au層（30–300 nm）以制作電極焊盤，隨后在450℃下進行10分鐘快速熱退火。再通過深反應離子蝕刻（RIE）定義出鏡體結構，通過再次RIE制作背面腔體結構。最后，蝕刻剩余的氧化層以釋放MEMS鏡面，完成器件制備。
圖4 （a）完成制備并進行引線鍵合的MEMS振鏡；（b）局部放大的壓阻式惠斯登電橋角度傳感器
器件評估
集成壓阻傳感器的MEMS振鏡采用非對稱結構MEMS鏡面，在聲波激勵下更易產生扭轉運動。集成的壓阻式惠斯通電橋角度傳感器可對扭轉角（即諧振振幅）進行線性檢測。為增強光聲信號，MEMS振鏡的諧振頻率（設計值：5702 Hz，實測值：5222 Hz）與光聲腔的諧振頻率（設計值：5249 Hz）盡可能匹配。在5222 Hz諧振頻率的聲波激勵下，該MEMS振鏡展現出15.43 mV/Pa（偏置電壓：1 V）的高靈敏度，且具備線性響應特性。在單一調制周期下，其一次諧波（1f）光聲信號可在500～20000 ppm寬泛CO?濃度范圍內線性檢測。
圖5 用于CO?檢測的光聲光譜測量裝置
為表征所開發的MEMS振鏡，研究人員搭建了用于CO?檢測的光聲光譜測量裝置。為了實現一次諧波檢測，激光在MEMS振鏡的諧振頻率下進行調制。為了驗證所構建的光聲光譜雙諧振系統的可靠性，測試了不同濃度CO?氣體樣品。圖6（a）展示了在10 s調制周期內記錄的1f光聲信號，覆蓋了從500～20000 ppm的寬泛濃度范圍。圖6（b）展示了CO?氣體濃度與1f信號峰值之間的線性關系。線性擬合表現出異常的線性響應，確定系數（R2）高達0.999，表明在測試的寬濃度范圍內具有很強的相關性。為了評估光聲光譜雙諧振系統的靈敏度和長期穩定性，進行了Allan-Werle方差實驗。所設計的光聲光譜雙諧振系統在120 s積分時間內表現出穩定性。值得注意的是，系統積分時間設置為120 s，最低檢測限顯著提高至42 ppm。
圖6 寬泛CO?濃度范圍內的1f光聲信號及其線性關系
結論
該研究提出了一款集成壓阻角度傳感器的MEMS振鏡，能夠在寬泛的氣體濃度范圍內線性采集光聲信號。其MEMS振鏡提升了聲波接收效率與振動幅度。集成的惠斯通電橋壓阻傳感單元，可精準線性采集扭轉角度。采用光聲光譜雙諧振系統，通過使MEMS振鏡的諧振頻率與光聲池的聲學頻率匹配，從而顯著提升了系統的檢測靈敏度。該器件基于標準4英寸SOI晶圓制備，諧振頻率5222 Hz，Q值421。實驗結果表明，該系統在500~20000 ppm的CO?濃度范圍表現出優異的線性響應，靈敏度達0.0024 μV/ppm，檢測限低至42 ppm。展望未來，研究團隊將進一步優化器件結構以提升Q值，并拓展多種氣體同步檢測的能力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/MEMS64181.2026.11419368
