MEMS器(qi)件廣(guang)泛(fan)應(ying)用于(yu)機械、光學、射頻、生(sheng)物等領域(yu)，氣體檢(jian)測正(zheng)是其(qi)重要應(ying)用方向之(zhi)一。氣體檢(jian)測最常用的方法是基于(yu)氣敏涂層(ceng)的傳感(gan)器(qi)，利用其(qi)氣敏層(ceng)與被檢(jian)測物質之(zhi)間(jian)的相(xiang)互作(zuo)用而實現(xian)氣體檢(jian)測目(mu)的。然而，氣敏層(ceng)會導致器(qi)件出現(xian)老化、可靠性下降和響應(ying)時間(jian)延長等問題。尤(you)其(qi)是在一些特定的應(ying)用中(zhong)（例(li)如惡劣(lie)環(huan)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(chu)色的(de)物理性能，成為制備(bei)高性能MEMS器(qi)件的理想材料。來自法國圖爾大(da)學（University of Tours）、國家科學研究(jiu)中(zhong)心（CNRS）和波爾多(duo)大學（University of Bordeaux）的研(yan)究團隊進行了深入分析，重點介紹了兩(liang)種用于氣(qi)體檢(jian)測的器件：基(ji)于立方多晶(jing)型碳化硅(gui)（3C-SiC）微懸(xuan)臂梁的MEMS器(qi)件；基于振膜的電容式微機(ji)械超聲換能器(qi)（CMUT）。這兩種器件的共同特點(dian)是沒有氣(qi)敏層，能夠通過測量氣(qi)體的物理特性來進行檢(jian)測。研究人(ren)員還探索了使(shi)用3C-SiC材料(liao)制備(bei)CMUT的新方法(fa)，為將來把基于碳化硅的CMUT發展成為高性(xing)能氣體(ti)傳感器奠定了基(ji)礎(chu)。

用于氣體檢測(ce)的3C-SiC微(wei)懸(xuan)臂梁(liang)MEMS器件

通常，MEMS器(qi)件的(de)有源結構（橋、梁、板或(huo)(huo)膜）是使用(yong)硅(gui)或(huo)(huo)氮(dan)化硅(gui)等(deng)相關材料制備(bei)的(de)，但在特定(ding)的(de)應(ying)用(yong)中這(zhe)些材料存在局限(xian)性(xing)，可能需要(yao)在器(qi)件上額(e)外集(ji)成(cheng)冷(leng)卻系(xi)統或(huo)(huo)屏蔽輻射裝置(zhi)。這(zhe)些附加裝置(zhi)會增加器(qi)件體積和(he)重量，與MEMS器件的微型化目標(biao)相悖。

碳化硅(gui)具有(you)優異(yi)的(de)(de)物理特性(xing)，例如抗輻(fu)射性(xing)和(he)化學穩(wen)定(ding)性(xing)，基于(yu)碳化硅(gui)的(de)(de)MEMS器件可以有效解(jie)決上述問題，使其成為制備(bei)MEMS器(qi)件(jian)的理想材(cai)料(liao)。在多種碳化硅多晶形態中，3C-SiC因其(qi)特有的適應性，非(fei)常(chang)適合(he)MEMS應(ying)用。

基于(yu)3C-SiC的微懸(xuan)臂梁，并結(jie)合電(dian)磁(ci)致動和電(dian)感檢測(ce)技術(shu)，研究人員成功測(ce)量了(le)氮氣（N?）中(zhong)不同(tong)氣(qi)體的濃度，其(qi)中(zhong)氫氣(qi)（H?）和二氧化碳（CO?）的(de)檢測限分(fen)別低至0.2%和0.25%。由于3C-SiC材料的(de)獨特物理特性，這些器件(jian)可以在(zai)惡劣環境中使用(yong)，未來有望用(yong)于地下核(he)廢料存儲設施的(de)H?泄漏檢測。實際上，當空氣中H?的濃度(du)為4% ~ 70%時具有易燃性(xing)，因此必(bi)須(xu)對其(qi)進行(xing)持續監(jian)測。此外，在放射性(xing)環境中，使用基于(yu)3C-SiC的傳(chuan)感器則顯得尤為重要。

用于氣體(ti)檢測的CMUT器件(jian)

與3C-SiC微懸臂梁(liang)類(lei)似，CMUT也會因(yin)為周圍氣體的(de)聲學特性變(bian)化(hua)而引起(qi)共振(zhen)頻率(lv)的(de)改變(bian)。這項研究中制備(bei)的(de)CMUT振膜(mo)尺寸(cun)為32 μm × 32 μm，共振頻率(lv)約為(wei)8 MHz。由于CMUT既可以充當超(chao)聲(sheng)波發(fa)射器(qi)，又可以作為接收器(qi)，因此在(zai)低于共振頻率（8 MHz）的情況(kuang)下，即1 MHz范圍(wei)內，面(mian)對面(mian)CMUT可用于實(shi)現(xian)超聲波的飛(fei)行(xing)時間（ToF）測量。

使用CMUT進行超(chao)聲波的飛行時(shi)間測量(liang)，與使(shi)用(yong)3C-SiC微懸(xuan)臂梁測(ce)量(liang)一樣，可以(yi)達(da)到相似范(fan)圍的檢測(ce)限：對N?中的H?和CO?檢測限分別(bie)為0.15%和0.30%。這種檢測方法(fa)非(fei)常有(you)潛力，與(yu)包含氣(qi)(qi)敏(min)層(ceng)的傳統氣(qi)(qi)體(ti)傳感(gan)器不同(tong)(tong)，這種傳感(gan)器通用性較強，能夠(gou)高效檢測多種不同(tong)(tong)氣(qi)(qi)體(ti)，且無需針對(dui)不同(tong)(tong)氣(qi)(qi)體(ti)更改(gai)器件的結(jie)構或(huo)設計。

研究人員(yuan)還監(jian)測了另一(yi)個(ge)可(ke)通(tong)過CMUT檢測的(de)物理參(can)數(shu)：氣體的(de)超聲衰減系數(shu)。實際(ji)上，當從CMUT陣列(lie)發(fa)射器向CMUT陣(zhen)列接收器發送(song)連續的(de)超聲(sheng)正(zheng)弦(xian)波時（相距d），信號在穿過氣體(ti)(ti)后會呈指數級衰減。一(yi)旦兩(liang)個CMUT面(mian)之間的傳(chuan)輸(shu)距離d固(gu)定，超(chao)聲正弦波的(de)衰減就(jiu)只與氣體(ti)環境(jing)有關。

目前，雖然完全基于3C-SiC材料的(de)CMUT尚(shang)未實現，但此項研(yan)究工作中(zhong)，研(yan)究人員探索了基于3C-SiC材(cai)料制(zhi)備CMUT的新方(fang)法(fa)，成功地(di)在3C-SiC偽基底上(shang)獲得了(le)結晶3C-SiC膜，該成果為將(jiang)來把基于碳化(hua)硅(gui)的(de)CMUT發展成高(gao)性(xing)能氣體(ti)傳感(gan)器奠定了基(ji)礎。