MEMS器件廣泛應用于機械、光學(xué)、射頻、生物等領(lǐng)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(zhì)之間的相互作用而實(shí)現氣體檢測目的。然而，氣敏層會(huì )導致器件出現老化、可靠性下降和響應時(shí)間延長(cháng)等問(wèn)題。尤其是在一些特定的應用中（例如惡劣環(huán)境），MEMS器件制備常用的硅（Si）或硅基材料無(wú)法滿(mǎn)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(lái)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）的研究團隊進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)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(diǎn)是沒(méi)有氣敏層，能夠通過(guò)測量氣體的物理特性來(lái)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(lái)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。

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(guān)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(huì )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(yōu)異的物理特性，例如抗輻射性和化學(xué)穩定性，基于碳化硅的MEMS器件可以有效解決上述問(wèn)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因其特有的適應性，非常適合MEMS應用。

基于3C-SiC的微懸臂梁，并結合電磁致動(dòng)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(lái)有望用于地下核廢料存儲設施的H?泄漏檢測。實(shí)際上，當空氣中H?的濃度為4% ~ 70%時(shí)具有易燃性，因此必須對其進(jìn)行持續監測。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。

用于氣體檢測的CMUT器件

與3C-SiC微懸臂梁類(lèi)似，CMUT也會(huì )因為周?chē)鷼怏w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，面對面CMUT可用于實(shí)現超聲波的飛行時(shí)間（ToF）測量。

使用CMUT進(jìn)行超聲波的飛行時(shí)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(wú)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(gè)可通過(guò)CMUT檢測的物理參數：氣體的超聲衰減系數。實(shí)際上，當從CMUT陣列發(fā)射器向CMUT陣列接收器發(fā)送連續的超聲正弦波時(shí)（相距d），信號在穿過(guò)氣體后會(huì )呈指數級衰減。一旦兩個(gè)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)。

目前，雖然完全基于3C-SiC材料的CMUT尚未實(shí)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(lái)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。