能夠集成進(jìn)入有線/無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微型傳感器，使環(huán)境參數(shù)的高保真、連續(xù)監(jiān)測(cè)成為可能。利用這些傳感器克服當(dāng)前監(jiān)測(cè)設(shè)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?yàn)槌叽?、便攜性、成本、功耗以及無(wú)法測(cè)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(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)氣體分析和顆粒物監(jiān)測(cè)重量傳感器的小型化和集成，同時(shí)解決當(dāng)前技術(shù)存在的許多局限性。
在重量測(cè)量傳感應(yīng)用中，MEMS傳感器可以提供的額外優(yōu)勢(shì)包括感測(cè)直徑小于100納米的超細(xì)顆粒。由于這些超細(xì)顆粒對(duì)人類健康的有害影響，超細(xì)顆粒感測(cè)的重要性已得到廣泛認(rèn)可。
目前的感測(cè)方案包括商用冷凝顆粒計(jì)數(shù)器，但是這些計(jì)數(shù)器只提供了關(guān)于數(shù)量濃度的估計(jì)值，而不是總質(zhì)量或質(zhì)量濃度的直接測(cè)量值，并且，在檢測(cè)之前還需要一個(gè)系統(tǒng)通過(guò)蒸汽冷凝將顆粒放大到足夠大的直徑。然后，當(dāng)顆粒被收集到MEMS傳感器的表面上，可以應(yīng)用其他技術(shù)進(jìn)行成分分析等進(jìn)一步表征。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，英國(guó)劍橋大學(xué)納米科學(xué)中心和工程系的一支研究團(tuán)隊(duì)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(cè)超細(xì)顆粒方面的適用性。
MEMS傳感器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是微型化和集成潛力，包括與CMOS超大規(guī)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型傳感器的關(guān)鍵組件，包括質(zhì)量傳感器、檢測(cè)分子相互作用的生物傳感器、靜電計(jì)、加速度計(jì)、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(tǒng)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(gòu)建元件，它結(jié)合了良好的機(jī)電耦合特性，并改善了環(huán)境條件下相對(duì)于等效電容MEMS器件的功率處理。
對(duì)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(wěn)定性。利用壓電換能的這些優(yōu)勢(shì)，已有文獻(xiàn)證明了其在重量傳感中的應(yīng)用，包括液體中的顆粒物檢測(cè)和質(zhì)量傳感。
在論文中，研究人員報(bào)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(cè)超細(xì)顆粒，例如實(shí)驗(yàn)室生成的銀納米顆粒和室內(nèi)環(huán)境中觀察到的顆粒。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是驗(yàn)證這種傳感器在自然室內(nèi)環(huán)境或受控實(shí)驗(yàn)過(guò)程中感測(cè)納米顆粒的性能。這些器件的工作原理基于監(jiān)測(cè)超細(xì)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(yàn)裝置
研究人員在論文中詳細(xì)介紹了兩類實(shí)驗(yàn)裝置：（i）室內(nèi)顆粒實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置和（ii）銀納米顆粒實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。具體來(lái)說(shuō)，進(jìn)行了兩種類型室內(nèi)顆粒的沉積，并且在這兩種情況下，均未對(duì)室內(nèi)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(yàn)裝置及其組件
MEMS沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)（MIS）
MEMS諧振器位于MIS內(nèi)，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(dá)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(yàn)裝置（左）及其分解圖（右）
MEMS諧振器設(shè)計(jì)、制造和壓電換能
本實(shí)驗(yàn)中使用的MEMS諧振器是一個(gè)邊長(zhǎng)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(xiàn)壓電換能。金屬電極被圖案化在壓電材料的頂部，用于驅(qū)動(dòng)諧振器并感測(cè)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。
通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極施加交流電壓以激勵(lì)諧振器運(yùn)動(dòng)。結(jié)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(hào)頻率。輸出電信號(hào)由圖案化在同一基板上的感應(yīng)電極檢測(cè)，如下圖所示。
由T形錨梁懸掛的200 μm邊長(zhǎng)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。
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通過(guò)慣性沖擊沉積在MEMS諧振器表面的室內(nèi)顆粒
總體來(lái)說(shuō)，該研究展示了一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銀納米顆粒沉積和室內(nèi)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(shè)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(yàn)臺(tái)中，用于測(cè)試超細(xì)顆粒的檢測(cè)。論文詳細(xì)闡述了這種實(shí)驗(yàn)裝置，評(píng)估揭示了MEMS元件周圍可能影響響應(yīng)的裝置細(xì)節(jié)。根據(jù)所選擇的采樣時(shí)間和積分時(shí)間，測(cè)量的總質(zhì)量范圍高達(dá)7.993納克，最小可檢測(cè)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(yīng)用于顆粒監(jiān)測(cè)測(cè)量的可行性提供了證據(jù)，但開(kāi)發(fā)一種充分利用MEMS/電子協(xié)同集成優(yōu)勢(shì)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(jī)制。目前的研究結(jié)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(jiān)測(cè)儀器奠定基礎(chǔ)。
審核編輯：劉清