氣體傳感器在工業(yè)和城市氣體排放的監(jiān)測和控制方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對于人類健康相關(guān)的應(yīng)用，例如呼吸分析或有毒/爆炸性氣體（如甲烷）的檢測，需要高靈敏度、高選擇性且緊湊的氣體傳感器。氣體傳感器的小型化不僅可以提高成本效益，還能增加便攜性，使其適用于更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

過去十年來，業(yè)界開發(fā)了多種氣體傳感器來檢測并分析各種氣體。最常用的氣體傳感器包括電化學(xué)、半導(dǎo)體以及紅外（IR）氣體傳感器。電化學(xué)和半導(dǎo)體氣體傳感器具有緊湊性和相對低成本的特點(diǎn)。電化學(xué)傳感器檢測的是電化學(xué)反應(yīng)過程中的電子遷移，而半導(dǎo)體傳感器通過測量目標(biāo)氣體分子吸收引起的電阻變化來工作。

這兩類傳感器對甲烷等氣體的檢測都很敏感，其中電化學(xué)傳感器和半導(dǎo)體傳感器的檢測極限分別低于9 ppmv和5 ppmv。然而，由于濕度和溫度的影響，以及與化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的消耗問題，這些傳感器的可靠性會降低，因而壽命有限。此外，某些氣體可能會出現(xiàn)交叉靈敏度，使這些氣體傳感器的選擇性降低。

在各種檢測技術(shù)中，可調(diào)諧激光二極管光譜法（TDLS）在選擇性、可靠性和靈敏度方面兼具優(yōu)勢。它還能夠達(dá)到ppb級的檢測水平，可用于甲烷檢測。該技術(shù)包括半導(dǎo)體調(diào)制紅外激光器，其波長對應(yīng)于目標(biāo)氣體的吸收線。

TDLS檢測利用光電二極管測量穿過氣室的激光強(qiáng)度。根據(jù)比爾-朗伯（Beer–Lambert）定律，紅外吸收技術(shù)的靈敏度與吸收路徑的長度成正比，這意味著性能取決于傳感器的尺寸。因此，這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)緊湊性。這個(gè)問題可以通過采用光聲光譜技術(shù)來克服，與TDLS相比，光聲光譜法在測量光吸收的方式上有所不同。

在激光被目標(biāo)氣體吸收后，被激發(fā)的氣體分子將在非輻射躍遷后返回其基本能量水平。這將增加分子的動(dòng)能，并在激光調(diào)制的相同頻率下產(chǎn)生介質(zhì)的周期性加熱，從而產(chǎn)生具有相同周期的聲波。

由此，光聲光譜法采用聲學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)測量，而非光電探測器。在這種情況下，傳感器的靈敏度與激光器的功率成比例，而不是光路，這使得開發(fā)小體積氣體測量的緊湊型氣體傳感器成為可能。

每種光聲技術(shù)都由其聲傳感器來定義。目前，使用最多的光聲光譜技術(shù)包括：MPAS（基于麥克風(fēng)的光聲光譜技術(shù)），采用電容換能的麥克風(fēng)；CEPAS（懸臂梁增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)），是一種基于新型硅微懸臂梁傳聲器的改進(jìn)型光聲光譜技術(shù)；QEPAS（石英增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)），采用壓電換能的石英音叉（QTF）。

MPAS的主要缺點(diǎn)是環(huán)境背景對測量的干擾。至于CEPAS，盡管它具有較高的靈敏度，但光聲池需要的待測氣體量大，并且存在共振漂移。而對于裸QEPAS，聲波和音叉叉指間存在較差的空間重疊，這導(dǎo)致信噪比（SNR）降低。

上述不同缺點(diǎn)源自這些聲學(xué)傳感器中沒有一個(gè)是完全為光聲光譜技術(shù)而設(shè)計(jì)的。在此背景下，法國蒙彼利埃大學(xué)（University of Montpellier）的研究人員采用一種創(chuàng)新方案，開發(fā)了一種緊湊且集成化如麥克風(fēng)，清晰共振如QTF的硅基MEMS傳感器。研究人員最初在2019年提出了這種技術(shù)，稱之為MEMPAS（MEMS增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)）。

該方案采用在絕緣體上硅（SOI）晶圓上制造的電容式硅微機(jī)械諧振器。硅的使用使其具有成熟CMOS技術(shù)的優(yōu)勢，尤其是精確的尺寸控制、集成化和批量生產(chǎn)的成本降低。此外，電容式傳感是一種有吸引力的方案，它提供了簡單的結(jié)構(gòu)；可以用高摻雜硅作電容電極，而不必進(jìn)行金屬沉積。

理想的電容器沒有固有噪聲，適用于低噪聲傳感。這些特性可以專門設(shè)計(jì)用于光聲氣體傳感的傳感器結(jié)構(gòu)。有證據(jù)表明，與麥克風(fēng)相比，它可以提供更高的品質(zhì)因數(shù)。

不過，研究人員開發(fā)的第一款原型的性能遠(yuǎn)未達(dá)到最先進(jìn)水平。這主要源于基于間隙減小的電容換能機(jī)制，由于兩個(gè)電極之間接近而產(chǎn)生重要的粘性壓膜效應(yīng)。

這種效應(yīng)減少了機(jī)械諧振器的位移，限制了電容變化，從而使其靈敏度也受限。為了將這種影響降至最低，應(yīng)減小諧振器表面。然而，這又會減少光聲能的收集，意味著電容換能表現(xiàn)出相反的物理趨勢。造成這種問題的原因是同一部件承擔(dān)了兩種功能：光聲能量收集和電容換能。

為了克服這個(gè)問題，研究人員提出了一種被稱為“H諧振器”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，它將這兩個(gè)功能分配給兩個(gè)不同的部分。這種H諧振器表現(xiàn)出接近裸QEPAS技術(shù)的性能，通過改善光聲能量收集、可移動(dòng)電極的位移和標(biāo)稱電容，有望實(shí)現(xiàn)卓越的靈敏度。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于近期的Sensors期刊。

H諧振器在光聲激勵(lì)下偏轉(zhuǎn)的示意圖。H諧振器分為兩部分：中心部分專用于光聲能量收集，臂部分專用于電容換能。激光束的光軸垂直于諧振器，并聚焦在其中間。由于對調(diào)制激光的吸收而產(chǎn)生聲波。

MEMS器件在其諧振頻率下的運(yùn)動(dòng)仿真

研究人員在最新的研究中重點(diǎn)改進(jìn)了H諧振器。目標(biāo)是開發(fā)用于光聲氣體痕量檢測的高靈敏度電容式MEMS。在這項(xiàng)工作中，研究人員進(jìn)行了電學(xué)表征，以確定諧振器的頻率響應(yīng)和標(biāo)稱電容。

應(yīng)用MEMS增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)進(jìn)行甲烷檢測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

此外，研究人員在不使用聲腔的光聲激勵(lì)下，在目標(biāo)氣體的校準(zhǔn)濃度下檢測了傳感器的線性度。最后，根據(jù)檢測極限（LOD）和歸一化噪聲等效吸收（NNEA）對所開發(fā)傳感器的性能進(jìn)行了評估。

在文章中，研究人員展示了利用所開發(fā)氣體傳感器進(jìn)行甲烷檢測的工作原理。不過，值得注意的是，這種傳感器可以用于檢測各種氣體，不僅僅是甲烷。因?yàn)檫@種氣體傳感器基于光聲光譜技術(shù)，通過更換傳感器中使用的激光器，其可用于檢測任何氣體，因此具有高度的通用性，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。

論文鏈接：https://doi.org/10.3390/s23063280

審核編輯 ：李倩