碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用

2024-01-23

MEMS器件广泛应用于机械、光学、射频、生物等领域,气体检测正是其重要应用方向之一。气体检测最常用的方法是基于气敏涂层的传感器,利用其气敏层与被检测物质之间的相互作用而实现气体检测目的。然而,气敏层会导致器件出现老化、可靠性下降和响应时间延长等问题。尤其是在一些特定的应用中(例如恶劣环境),MEMS器件制备常用的硅(Si)或硅基材料无法满足需求,而碳化硅(SiC)由于出色的物理性能,成为制备高性能MEMS器件的理想材料。
据麦姆斯咨询报道,针对上述问题,来自法国图尔大学(University of Tours)、国家科学研究中心(CNRS)和波尔多大学(University of Bordeaux)的研究团队进行了深入分析,重点介绍了两种用于气体检测的器件:基于立方多晶型碳化硅(3C-SiC)微悬臂梁的MEMS器件;基于振膜的电容式微机械超声换能器(CMUT)。这两种器件的共同特点是没有气敏层,能够通过测量气体的物理特性来进行检测。研究人员还探索了使用3C-SiC材料制备CMUT的新方法,为将来把基于碳化硅的CMUT发展成为高性能气体传感器奠定了基础。相关研究成果以“Silicon-carbide-based MEMS for gas detection applications”为题发表在Materials Science in Semiconductor Processing期刊上。
用于气体检测的3C-SiC微悬臂梁MEMS器件
通常,MEMS器件的有源结构(桥、梁、板或膜)是使用硅或氮化硅等相关材料制备的,但在特定的应用中这些材料存在局限性,可能需要在器件上额外集成冷却系统或屏蔽辐射装置。这些附加装置会增加器件体积和重量,与MEMS器件的微型化目标相悖。
碳化硅具有优异的物理特性,例如抗辐射性和化学稳定性,基于碳化硅的MEMS器件可以有效解决上述问题,使其成为制备MEMS器件的理想材料。在多种碳化硅多晶形态中,3C-SiC因其特有的适应性,非常适合MEMS应用。
基于3C-SiC的微悬臂梁,并结合电磁致动和电感检测技术,研究人员成功测量了氮气(N₂)中不同气体的浓度,其中氢气(H₂)和二氧化碳(CO₂)的检测限分别低至0.2%和0.25%。由于3C-SiC材料的独特物理特性,这些器件可以在恶劣环境中使用,未来有望用于地下核废料存储设施的H₂泄漏检测。实际上,当空气中H₂的浓度为4% ~ 70%时具有易燃性,因此必须对其进行持续监测。此外,在放射性环境中,使用基于3C-SiC的传感器则显得尤为重要。
碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用 (https://ic.work/) 传感器 第1张

图1 基于3C-SiC的微悬臂梁,采用电磁驱动和电感测量实现气体检测,碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用 (https://ic.work/) 传感器 第2张

图2 基于3C-SiC的微悬臂梁的谐振频率随周围气体浓度的变化关系(左图:N₂中的H₂,右图:N₂中的CO₂),用于气体检测的CMUT器件
与3C-SiC微悬臂梁类似,CMUT也会因为周围气体的声学特性变化而引起共振频率的改变。这项研究中制备的CMUT振膜尺寸为32 μm × 32 μm,共振频率约为8 MHz。由于CMUT既可以充当超声波发射器,又可以作为接收器,因此在低于共振频率(8 MHz)的情况下,即1 MHz范围内,面对面CMUT可用于实现超声波的飞行时间(ToF)测量。
碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用 (https://ic.work/) 传感器 第3张

图3 (a)使用直径为25 μm的铝线,在PCB上楔形键合3C-SiC微悬臂梁的全封装原型和光学显微图像,以及(b)在PCB上楔形键合CMUT的光学显微图像,使用CMUT进行超声波的飞行时间测量,与使用3C-SiC微悬臂梁测量一样,可以达到相似范围的检测限:对N₂中的H₂和CO₂检测限分别为0.15%和0.30%。这种检测方法非常有潜力,与包含气敏层的传统气体传感器不同,这种传感器通用性较强,能够高效检测多种不同气体,且无需针对不同气体更改器件的结构或设计。
碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用 (https://ic.work/) 传感器 第4张

图4 通过CMUT测量飞行时间的相对变化随周围气体浓度的变化关系(左图:N₂中的H₂,右图:N₂中的CO₂),研究人员还监测了另一个可通过CMUT检测的物理参数:气体的超声衰减系数。实际上,当从CMUT阵列发射器向CMUT阵列接收器发送连续的超声正弦波时(相距d),信号在穿过气体后会呈指数级衰减。一旦两个CMUT面之间的传输距离d固定,超声正弦波的衰减就只与气体环境有关。
碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用 (https://ic.work/) 传感器 第5张

图5 通过CMUT评估在N₂中稀释的3种不同气体的超声衰减系数(1 MHz频率下),碳化硅基MEMS器件助力高性能气体检测应用 (https://ic.work/) 传感器 第6张

图6 通过CMUT阵列从纯N₂(图中参考值0-0)开始,根据气体环境变化测定气体衰减系数和飞行时间的变化关系,目前,虽然完全基于3C-SiC材料的CMUT尚未实现,但此项研究工作中,研究人员探索了基于3C-SiC材料制备CMUT的新方法,成功地在3C-SiC伪基底上获得了结晶3C-SiC膜,该成果为将来把基于碳化硅的CMUT发展成高性能气体传感器奠定了基础。
论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107986,

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