基于雙重傳感模式的MEMS諧振器設(shè)計

在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和工業(yè)產(chǎn)品制造等領(lǐng)域，能夠?qū)Χ喾N分析物進行選擇性檢測的高性能氣體/化學(xué)傳感器是近些年研究關(guān)注的熱點。

微納米機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)諧振器由于其痕量級檢測能力、小型化結(jié)構(gòu)、批量制造工藝和低功耗等特點，在檢測物理/化學(xué)刺激(如質(zhì)量定量、壓力傳感和氣體檢測)方面具有非常高的潛力，是制備具有出色選擇性和穩(wěn)定性的智能低功耗微型傳感器的理想選擇。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)、法赫德國王石油礦產(chǎn)大學(xué)(KFUPM)和紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校(SUNY-Binghamton)的研究團隊共同合作，開發(fā)了一款基于雙重傳感模式的MEMS諧振器，可同時對濕度和氦(He)進行選擇性檢測。該研究為開發(fā)可對多種氣體/化學(xué)物質(zhì)進行高選擇性分析的單個諧振器開辟了新的思路，研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

MEMS諧振器的靈敏度很大程度上取決于諧振器的共振頻率及其質(zhì)量，諧振器的不同幾何形狀會影響器件的靈敏度?？s小器件尺寸可產(chǎn)生更高的諧振頻率，從而提高靈敏度，但質(zhì)量表面的減小會導(dǎo)致靈敏度降低，為此，研究人員提出了一種新的制備策略。

該MEMS諧振器由連接到懸臂梁的夾緊導(dǎo)向拱梁和T形可移動質(zhì)量塊組成，能夠同時驅(qū)動多種不同振動模式。一種振動模式以可移動質(zhì)量塊的運動為主，另一種振動模式以懸臂梁彎曲變化為主。

多模MEMS諧振器結(jié)構(gòu)示意圖

研究表明，該多模MEMS諧振器可用于同時檢測濕度和和氦氣。其質(zhì)量模式對相對濕度表現(xiàn)出強烈的響應(yīng)，具有優(yōu)異的選擇性，這是由于涂有氧化石墨烯(GO)的可移動質(zhì)量塊具有高親水性。另一方面，其軸向驅(qū)動的拱梁可以對氦氣表現(xiàn)出選擇性響應(yīng)，這歸因于其對周圍氣體熱電容的變化具有高靈敏度。

基于多模MEMS諧振器的氣體傳感裝置示意圖

具有不同質(zhì)量表面的三個器件(D1、D2和D3)的頻率響應(yīng)和傳感特性

能同時驅(qū)動多種不同振動模式的MEMS諧振器對于選擇性地檢測特定目標(biāo)分析物至關(guān)重要。值得一提的是，該多模MEMS諧振器目前還無法實現(xiàn)對三種以上的混合氣體進行檢測。要想解決混合氣體傳感中的交叉靈敏度問題，有效的方案之一是基于數(shù)據(jù)處理或機器學(xué)習(xí)技術(shù)。

研究人員認(rèn)為，該MEMS諧振器的設(shè)計與制備方法為微型便攜式電子設(shè)備以及高選擇性傳感器的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域。同時，基于其低成本、小尺寸、高靈敏度、良好線性度和低功耗等性能優(yōu)勢，未來有望在物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

原文標(biāo)題：基于雙重傳感模式的MEMS諧振器助力實現(xiàn)分析物的選擇性檢測

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審核編輯：湯梓紅