基于雙重傳感模式的MEMS諧振器設(shè)計(jì)

在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和工業(yè)產(chǎn)品制造等領(lǐng)域，能夠?qū)Χ喾N分析物進(jìn)行選擇性檢測(cè)的高性能氣體/化學(xué)傳感器是近些年研究關(guān)注的熱點(diǎn)。

微納米機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)諧振器由于其痕量級(jí)檢測(cè)能力、小型化結(jié)構(gòu)、批量制造工藝和低功耗等特點(diǎn)，在檢測(cè)物理/化學(xué)刺激(如質(zhì)量定量、壓力傳感和氣體檢測(cè))方面具有非常高的潛力，是制備具有出色選擇性和穩(wěn)定性的智能低功耗微型傳感器的理想選擇。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來(lái)自阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(KAUST)、法赫德國(guó)王石油礦產(chǎn)大學(xué)(KFUPM)和紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校(SUNY-Binghamton)的研究團(tuán)隊(duì)共同合作，開(kāi)發(fā)了一款基于雙重傳感模式的MEMS諧振器，可同時(shí)對(duì)濕度和氦(He)進(jìn)行選擇性檢測(cè)。該研究為開(kāi)發(fā)可對(duì)多種氣體/化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行高選擇性分析的單個(gè)諧振器開(kāi)辟了新的思路，研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

MEMS諧振器的靈敏度很大程度上取決于諧振器的共振頻率及其質(zhì)量，諧振器的不同幾何形狀會(huì)影響器件的靈敏度?？s小器件尺寸可產(chǎn)生更高的諧振頻率，從而提高靈敏度，但質(zhì)量表面的減小會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低，為此，研究人員提出了一種新的制備策略。

該MEMS諧振器由連接到懸臂梁的夾緊導(dǎo)向拱梁和T形可移動(dòng)質(zhì)量塊組成，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多種不同振動(dòng)模式。一種振動(dòng)模式以可移動(dòng)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)為主，另一種振動(dòng)模式以懸臂梁彎曲變化為主。

多模MEMS諧振器結(jié)構(gòu)示意圖

研究表明，該多模MEMS諧振器可用于同時(shí)檢測(cè)濕度和和氦氣。其質(zhì)量模式對(duì)相對(duì)濕度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的響應(yīng)，具有優(yōu)異的選擇性，這是由于涂有氧化石墨烯(GO)的可移動(dòng)質(zhì)量塊具有高親水性。另一方面，其軸向驅(qū)動(dòng)的拱梁可以對(duì)氦氣表現(xiàn)出選擇性響應(yīng)，這歸因于其對(duì)周?chē)鷼怏w熱電容的變化具有高靈敏度。

基于多模MEMS諧振器的氣體傳感裝置示意圖

具有不同質(zhì)量表面的三個(gè)器件(D1、D2和D3)的頻率響應(yīng)和傳感特性

能同時(shí)驅(qū)動(dòng)多種不同振動(dòng)模式的MEMS諧振器對(duì)于選擇性地檢測(cè)特定目標(biāo)分析物至關(guān)重要。值得一提的是，該多模MEMS諧振器目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)三種以上的混合氣體進(jìn)行檢測(cè)。要想解決混合氣體傳感中的交叉靈敏度問(wèn)題，有效的方案之一是基于數(shù)據(jù)處理或機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

研究人員認(rèn)為，該MEMS諧振器的設(shè)計(jì)與制備方法為微型便攜式電子設(shè)備以及高選擇性傳感器的發(fā)展開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。同時(shí)，基于其低成本、小尺寸、高靈敏度、良好線性度和低功耗等性能優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望在物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

原文標(biāo)題：基于雙重傳感模式的MEMS諧振器助力實(shí)現(xiàn)分析物的選擇性檢測(cè)

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審核編輯：湯梓紅