MEMS器件(jian)廣(guang)泛應用于機械、光(guang)學、射(she)頻(pin)、生(sheng)物等領(ling)域，氣(qi)(qi)體(ti)檢(jian)測(ce)(ce)正是其(qi)(qi)重要應用方向之一。氣(qi)(qi)體(ti)檢(jian)測(ce)(ce)最常用的方法(fa)是基于氣(qi)(qi)敏(min)涂(tu)層(ceng)的傳(chuan)感器，利用其(qi)(qi)氣(qi)(qi)敏(min)層(ceng)與(yu)被(bei)檢(jian)測(ce)(ce)物質之間(jian)的相(xiang)互作用而實(shi)現(xian)氣(qi)(qi)體(ti)檢(jian)測(ce)(ce)目的。然而，氣(qi)(qi)敏(min)層(ceng)會導致器件(jian)出現(xian)老化、可靠性(xing)下降和響(xiang)應時間(jian)延長等問(wen)題(ti)。尤其(qi)(qi)是在一些特定的應用中（例如惡劣(lie)環境(jing)），MEMS器(qi)件制(zhi)備常用的硅(gui)（Si）或硅(gui)基材(cai)料無法滿足需求，而碳(tan)化(hua)硅(gui)（SiC）由于出色的物理性(xing)能(neng)，成為制備高性(xing)能(neng)MEMS器件的理想材料(liao)。來(lai)自(zi)法國(guo)圖爾大學（University of Tours）、國家科(ke)學研(yan)究中心(xin)（CNRS）和波(bo)爾多(duo)大學（University of Bordeaux）的研究團隊進行了深入分(fen)析(xi)，重點(dian)介紹(shao)了兩種用于(yu)氣體檢測的器件：基于(yu)立方多晶(jing)型(xing)碳化硅（3C-SiC）微懸(xuan)臂梁的(de)MEMS器件(jian)；基于振膜的電(dian)容式(shi)微機械超聲換能器（CMUT）。這(zhe)兩種(zhong)器(qi)件的共同特點是沒有(you)氣敏層(ceng)，能(neng)夠通過測量氣體(ti)的物理特性來進行檢測。研究(jiu)人員(yuan)還探索(suo)了使用(yong)3C-SiC材料制(zhi)備CMUT的新方法，為將來把基(ji)于碳化硅的CMUT發展成為高性能氣體傳感器奠定了基礎(chu)。

用于氣體(ti)檢測的3C-SiC微懸臂梁(liang)MEMS器件

通(tong)常(chang)，MEMS器(qi)(qi)件的有源結構（橋、梁、板或(huo)膜）是(shi)使用硅或(huo)氮化硅等(deng)相關材料制(zhi)備(bei)的，但在特定的應用中這些(xie)材料存在局限性，可能需(xu)要在器(qi)(qi)件上額外集成冷卻系統或(huo)屏蔽輻射裝(zhuang)置(zhi)。這些(xie)附加裝(zhuang)置(zhi)會增加器(qi)(qi)件體積(ji)和重量，與MEMS器件的微型化目標(biao)相(xiang)悖。

碳化硅具有(you)優異的(de)物理特性，例如抗輻(fu)射性和化學穩定性，基于碳化硅的(de)MEMS器件可以有效解決上述問題，使其成為制備MEMS器件的理想材料(liao)。在多種碳化硅多晶形態中，3C-SiC因其特有的適應(ying)性(xing)，非常(chang)適合MEMS應用。

基于3C-SiC的微懸臂梁(liang)，并結合電(dian)磁致動和電(dian)感檢測技術，研究(jiu)人員成功測量了氮氣（N?）中不同氣體(ti)的(de)濃度(du)，其(qi)中氫氣（H?）和二(er)氧化(hua)碳(tan)（CO?）的檢測(ce)限分別低至0.2%和0.25%。由于3C-SiC材料的獨特(te)物理特(te)性，這些(xie)器件可以(yi)在惡劣環(huan)境中使用，未來有望用于地下核(he)廢料存儲設(she)施的H?泄漏檢(jian)測。實際(ji)上，當空(kong)氣中H?的濃度(du)為4% ~ 70%時具有易燃(ran)性，因此(ci)必須對其進行持續監(jian)測(ce)。此(ci)外(wai)，在(zai)放射性環境中，使用基(ji)于(yu)3C-SiC的(de)傳感器則顯得尤為重要。

用于氣體(ti)檢測的(de)CMUT器(qi)件

與3C-SiC微懸(xuan)臂梁類似(si)，CMUT也會(hui)因為周(zhou)圍氣(qi)體的(de)聲學特性(xing)變(bian)化而(er)引起共振頻率的(de)改(gai)變(bian)。這項研究(jiu)中制備(bei)的(de)CMUT振膜尺寸(cun)為32 μm × 32 μm，共振(zhen)頻率約為8 MHz。由于CMUT既可(ke)以充(chong)當超(chao)聲波發(fa)射器(qi)，又可(ke)以作為接收器(qi)，因此(ci)在低于共振頻率(lv)（8 MHz）的情(qing)況下(xia)，即1 MHz范圍(wei)內，面對(dui)面CMUT可用于實現超聲波的飛行時間（ToF）測量。

使用CMUT進(jin)行(xing)超(chao)聲波的飛(fei)行(xing)時間測量，與使用3C-SiC微懸(xuan)臂梁測量一樣(yang)，可以達到相似(si)范圍的檢測限(xian)：對N?中的(de)H?和CO?檢測限(xian)分別為0.15%和0.30%。這種(zhong)檢測方法(fa)非常有潛力(li)，與包含氣敏層的(de)傳(chuan)統氣體(ti)傳(chuan)感器不(bu)(bu)同，這種(zhong)傳(chuan)感器通(tong)用性較強，能夠高(gao)效(xiao)檢測多種(zhong)不(bu)(bu)同氣體(ti)，且無需(xu)針對不(bu)(bu)同氣體(ti)更改器件的(de)結(jie)構或設(she)計。

研究人(ren)員還監測了另一個可通過CMUT檢測的(de)物(wu)理參數：氣體的(de)超聲衰減系數。實際(ji)上，當從CMUT陣列發射(she)器向CMUT陣列(lie)接收(shou)器(qi)發送連續的(de)超聲正弦波(bo)時（相距d），信號在(zai)穿(chuan)過氣體(ti)后會呈指數級(ji)衰(shuai)減。一旦(dan)兩個CMUT面之間的傳(chuan)輸(shu)距(ju)離(li)d固定，超聲正弦(xian)波(bo)的(de)衰減就只與氣體(ti)環(huan)境有關。

目前，雖然完全基于3C-SiC材(cai)料的CMUT尚未實現(xian)，但此項研(yan)究工作中，研(yan)究人(ren)員探索了(le)基(ji)于3C-SiC材料制備CMUT的(de)新方法，成功地(di)在3C-SiC偽基(ji)底(di)上(shang)獲得(de)了結晶3C-SiC膜，該成(cheng)果為將來把基于(yu)碳化(hua)硅的(de)CMUT發展成高性能(neng)氣體傳感器奠定了基礎(chu)。