中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
能夠集成進(jìn)入有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的微型傳感器，使環(huán)境參數的高保真、連續監測成為可能。利用這些傳感器克服當前監測設備局限性的方向之一，是重量傳感。
盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一系列重量傳感技術(shù)，但它們往往會(huì )因為尺寸、便攜性、成本、功耗以及無(wú)法測量一些感興趣的分析物而受到限制。在此背景下，MEMS和CMOS技術(shù)提供了一個(gè)很有前景的集成平臺，能夠實(shí)現氣體分析和顆粒物監測重量傳感器的小型化和集成，同時(shí)解決當前技術(shù)存在的許多局限性。
在重量測量傳感應用中，MEMS傳感器可以提供的額外優(yōu)勢包括感測直徑小于100納米的超細顆粒。由于這些超細顆粒對人類(lèi)健康的有害影響，超細顆粒感測的重要性已得到廣泛認可。
目前的感測方案包括商用冷凝顆粒計數器，但是這些計數器只提供了關(guān)于數量濃度的估計值，而不是總質(zhì)量或質(zhì)量濃度的直接測量值，并且，在檢測之前還需要一個(gè)系統通過(guò)蒸汽冷凝將顆粒放大到足夠大的直徑。然后，當顆粒被收集到MEMS傳感器的表面上，可以應用其他技術(shù)進(jìn)行成分分析等進(jìn)一步表征。
英國劍橋大學(xué)納米科學(xué)中心和工程系的一支研究團隊近期在Sensors上發(fā)表了一篇題為“Towards Portable MEMS Oscillators for Sensing Nanoparticles”的論文。論文展示了MEMS傳感器（硅上壓電諧振質(zhì)量傳感器）在檢測超細顆粒方面的適用性。
MEMS傳感器的另一個(gè)優(yōu)勢是微型化和集成潛力，包括與CMOS超大規模集成（VLSI）工藝的制造兼容性。
MEMS振蕩器此前已被證明是多種類(lèi)型傳感器的關(guān)鍵組件，包括質(zhì)量傳感器、檢測分子相互作用的生物傳感器、靜電計、加速度計、AFM探針以及壓力傳感器等。在所有這些傳感器中，MEMS振蕩器的性能至關(guān)重要，通常是整個(gè)系統性能的關(guān)鍵因素。值得關(guān)注的是，硅上壓電MEMS諧振器已成為振蕩器和傳感器極具前景的候選構建元件，它結合了良好的機電耦合特性，并改善了環(huán)境條件下相對于等效電容MEMS器件的功率處理。
對于將硅上壓電諧振器集成為頻率確定元件的振蕩器，這些特性能夠改善其相位噪聲和頻率穩定性。利用壓電換能的這些優(yōu)勢，已有文獻證明了其在重量傳感中的應用，包括液體中的顆粒物檢測和質(zhì)量傳感。
在論文中，研究人員報道了一種嵌入鎖相振蕩器回路中的壓電換能體聲MEMS諧振器，用于檢測超細顆粒，例如實(shí)驗室生成的銀納米顆粒和室內環(huán)境中觀(guān)察到的顆粒。這項研究的重點(diǎn)是驗證這種傳感器在自然室內環(huán)境或受控實(shí)驗過(guò)程中感測納米顆粒的性能。這些器件的工作原理基于監測超細顆粒吸附到諧振器表面而造成的MEMS振蕩器輸出頻移。
實(shí)驗裝置
研究人員在論文中詳細介紹了兩類(lèi)實(shí)驗裝置：（i）室內顆粒實(shí)時(shí)監測裝置和（ii）銀納米顆粒實(shí)時(shí)監測裝置。具體來(lái)說(shuō)，進(jìn)行了兩種類(lèi)型室內顆粒的沉積，并且在這兩種情況下，均未對室內大氣中存在的顆粒進(jìn)行尺寸選擇。
本研究中使用的實(shí)驗裝置及其組件
MEMS沖擊實(shí)驗臺（MIS）
MEMS諧振器位于MIS內，基于慣性沖擊原理在諧振器表面上進(jìn)行顆粒沉積。在該技術(shù)中，氣流中大于一定尺寸的顆粒將通過(guò)噴嘴入口到達作為沖擊板的MEMS諧振器表面。將一個(gè)真空泵連接在MIS排氣口處，以便通過(guò)噴嘴入口將顆粒拉向MEMS諧振器表面。
MIS實(shí)驗裝置（左）及其分解圖（右）
MEMS諧振器設計、制造和壓電換能
本實(shí)驗中使用的MEMS諧振器是一個(gè)邊長(cháng)為200 μm、硅器件層厚為10 μm的方形板。該方形板諧振器的兩個(gè)角由T形錨梁固定。在硅器件層上沉積AlN層以實(shí)現壓電換能。金屬電極被圖案化在壓電材料的頂部，用于驅動(dòng)諧振器并感測運動(dòng)響應。
通過(guò)驅動(dòng)電極施加交流電壓以激勵諧振器運動(dòng)。結果，隨時(shí)間變化的力被施加到諧振器，施加力的頻率等于施加的交流信號頻率。輸出電信號由圖案化在同一基板上的感應電極檢測，如下圖所示。
由T形錨梁懸掛的200 μm邊長(cháng)方形板MEMS諧振器的明場(chǎng)（a）和暗場(chǎng)（b，c）顯微圖像
將銀納米顆粒源連接到MIS裝置，通過(guò)慣性沖擊在MEMS諧振器表面沉積。
通過(guò)慣性沖擊沉積在MEMS諧振器表面的室內顆粒
總體來(lái)說(shuō)，該研究展示了一種用于實(shí)時(shí)監測銀納米顆粒沉積和室內顆粒的MEMS傳感器裝置，以期最終開(kāi)發(fā)一種便攜式重量傳感設備。采用5.999 MHz硅上壓電MEMS諧振器作為傳感器元件，并集成在MEMS沖擊實(shí)驗臺中，用于測試超細顆粒的檢測。論文詳細闡述了這種實(shí)驗裝置，評估揭示了MEMS元件周?chē)赡苡绊戫憫难b置細節。根據所選擇的采樣時(shí)間和積分時(shí)間，測量的總質(zhì)量范圍高達7.993納克，最小可檢測質(zhì)量極限為~60飛克至0.12皮克。
雖然本研究為將MEMS諧振器應用于顆粒監測測量的可行性提供了證據，但開(kāi)發(fā)一種充分利用MEMS/電子協(xié)同集成優(yōu)勢的微型化儀器，還需要開(kāi)展大量工作，并進(jìn)一步優(yōu)化流體和顆粒沉積機制。目前的研究結果表明，解決上述工程優(yōu)化工作，可以為開(kāi)發(fā)便攜式、低成本的緊湊型顆粒監測儀器奠定基礎。
