MEMS器件(jian)廣泛應(ying)用(yong)(yong)于機械、光學、射(she)頻(pin)、生物等(deng)領域，氣體(ti)檢測正(zheng)是其重要應(ying)用(yong)(yong)方向之一。氣體(ti)檢測最常用(yong)(yong)的方法是基于氣敏(min)涂層的傳感器，利(li)用(yong)(yong)其氣敏(min)層與被檢測物質(zhi)之間的相互作用(yong)(yong)而(er)(er)實現(xian)氣體(ti)檢測目(mu)的。然而(er)(er)，氣敏(min)層會導致(zhi)器件(jian)出現(xian)老(lao)化、可靠性下(xia)降和響(xiang)應(ying)時間延長等(deng)問題。尤其是在一些(xie)特定(ding)的應(ying)用(yong)(yong)中(zhong)（例如惡(e)劣(lie)環境(jing)），MEMS器件制備常用(yong)的(de)硅（Si）或硅基材料(liao)無(wu)法滿足需求，而(er)碳化硅（SiC）由(you)于出色的物理(li)性能，成為制備高性能MEMS器件的理想材料。來自法(fa)國圖爾大(da)學（University of Tours）、國家科學研究中心（CNRS）和波爾多大學（University of Bordeaux）的研究團隊(dui)進行了深入分析，重點介紹了兩種用于氣體檢測的器件(jian)：基于立方多(duo)晶(jing)型碳(tan)化硅（3C-SiC）微(wei)懸臂梁的MEMS器件；基(ji)于振膜的電容(rong)式微(wei)機械超(chao)聲換(huan)能器（CMUT）。這兩(liang)種器件的共同特點是沒有氣敏層，能夠通過測量氣體的物理(li)特性來進行檢測。研(yan)究(jiu)人(ren)員還探索了使(shi)用3C-SiC材料制備CMUT的(de)新方法，為將來把(ba)基(ji)于碳化硅(gui)的(de)CMUT發展(zhan)成為(wei)高性能氣體傳感器奠定了基礎。

用于氣體檢(jian)測的(de)3C-SiC微懸臂梁MEMS器件

通常，MEMS器件(jian)(jian)的(de)有源結構（橋、梁、板或(huo)膜）是使(shi)用硅或(huo)氮化(hua)硅等相關(guan)材料制備的(de)，但在(zai)特定的(de)應用中這些材料存在(zai)局限性，可能需(xu)要在(zai)器件(jian)(jian)上額外集成冷卻系統或(huo)屏蔽(bi)輻(fu)射裝置(zhi)。這些附加(jia)裝置(zhi)會增加(jia)器件(jian)(jian)體積和(he)重量，與MEMS器件的微(wei)型化目標相悖。

碳(tan)化硅具有優異(yi)的物理特性，例如抗輻射性和化學穩定(ding)性，基于碳(tan)化硅的MEMS器件(jian)可以有效解決上述(shu)問題，使其成為制備MEMS器件的理想(xiang)材料。在(zai)多(duo)種碳(tan)化硅多(duo)晶形態中(zhong)，3C-SiC因其特有的適應(ying)性，非常適合MEMS應用。

基于3C-SiC的微懸臂梁，并結合電磁致(zhi)動和電感檢測技術，研究人員成功測量了氮(dan)氣（N?）中(zhong)不同氣(qi)體的濃度，其中(zhong)氫氣(qi)（H?）和二氧化(hua)碳（CO?）的檢測限分別低至0.2%和0.25%。由于3C-SiC材料(liao)的(de)獨特(te)物(wu)理特(te)性，這些器件可以(yi)在(zai)惡劣環境(jing)中使(shi)用，未來(lai)有望用于地下(xia)核廢(fei)料(liao)存(cun)儲設施(shi)的(de)H?泄漏檢測(ce)。實際上，當空氣中H?的濃度(du)為4% ~ 70%時具(ju)有易燃性(xing)，因此必(bi)須對(dui)其進行(xing)持續監(jian)測。此外，在(zai)放(fang)射性(xing)環境中(zhong)，使用基于3C-SiC的傳(chuan)感器則顯(xian)得(de)尤為重要。

用于氣體(ti)檢測的CMUT器件

與3C-SiC微(wei)懸臂(bei)梁類似(si)，CMUT也會因(yin)為周圍氣體的聲學特(te)性變(bian)化而引起(qi)共振頻率(lv)的改變(bian)。這(zhe)項(xiang)研(yan)究中(zhong)制(zhi)備的CMUT振膜尺(chi)寸為(wei)32 μm × 32 μm，共振頻率約為8 MHz。由于CMUT既可(ke)以(yi)充當超聲波發射(she)器，又可(ke)以(yi)作(zuo)為接收器，因此在低(di)于共振頻率（8 MHz）的情況下，即(ji)1 MHz范圍內(nei)，面對面CMUT可用于實(shi)現超聲波的(de)飛行時間（ToF）測量。

使用(yong)CMUT進行超聲波的飛(fei)行時間測量，與使用3C-SiC微懸臂梁測量一(yi)樣，可以(yi)達到相(xiang)似(si)范(fan)圍的檢測限：對N?中的H?和(he)CO?檢測限分別為0.15%和0.30%。這種(zhong)檢(jian)測方法(fa)非常(chang)有潛力，與包含氣敏層的傳統氣體(ti)傳感(gan)器不同，這種(zhong)傳感(gan)器通(tong)用性較強，能夠高效檢(jian)測多種(zhong)不同氣體(ti)，且無需針對不同氣體(ti)更(geng)改器件的結構或設計。

研究(jiu)人員還監測了(le)另一個可通(tong)過CMUT檢測的物理參數(shu)：氣體的超聲(sheng)衰減系數(shu)。實際(ji)上(shang)，當(dang)從CMUT陣列發射器(qi)向CMUT陣列(lie)接收器發送連(lian)續的超聲(sheng)正(zheng)弦波時（相距d），信(xin)號在穿過氣體后會呈指數級(ji)衰減。一旦兩個CMUT面之間的傳輸(shu)距離d固定，超(chao)聲正弦波(bo)的(de)衰減就只與(yu)氣體(ti)(ti)環境有關。

目(mu)前，雖(sui)然完(wan)全基于3C-SiC材料的CMUT尚未實現，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(fa)，成功地在3C-SiC偽基底上獲得了結晶3C-SiC膜，該成(cheng)果為(wei)將來把基于碳(tan)化(hua)硅的CMUT發(fa)展成高(gao)性能氣(qi)體傳感器奠定了基礎(chu)。