氣體傳感器在工業和城市氣體排放的監測和控制方面發揮著至關重要的作用。對于人類健康相關的應用，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用領域。

過去十年來，業界開發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、半導體以及紅外（IR）氣體傳感器。電化學和半導體氣體傳感器具有緊湊性和相對低成本的特點。電化學傳感器檢測的是電化學反應過程中的電子遷移，而半導體傳感器通過測量目標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，其中電化學傳感器和半導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，以及與化學反應相關的消耗問題，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。

在各種檢測技術中，可調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勢。它還能夠達到ppb級的檢測水平，可用于甲烷檢測。該技術包括半導體調制紅外激光器，其波長對應于目標氣體的吸收線。

TDLS檢測利用光電二極管測量穿過氣室的激光強度。根據比爾-朗伯（Beer–Lambert）定律，紅外吸收技術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，這種技術的主要缺點是很難實現緊湊性。這個問題可以通過采用光聲光譜技術來克服，與TDLS相比，光聲光譜法在測量光吸收的方式上有所不同。

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

由此，光聲光譜法采用聲學傳感器實現測量，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。

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

MPAS的主要缺點是環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，這導致信噪比（SNR）降低。

上述不同缺點源自這些聲學傳感器中沒有一個是完全為光聲光譜技術而設計的。在此背景下，法國蒙彼利埃大學（University of Montpellier）的研究人員采用一種創新方案，開發了一種緊湊且集成化如麥克風，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，稱之為MEMPAS（MEMS增強光聲光譜技術）。

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

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計用于光聲氣體傳感的傳感器結構。有證據表明，與麥克風相比，它可以提供更高的品質因數。

不過，研究人員開發的第一款原型的性能遠未達到最先進水平。這主要源于基于間隙減小的電容換能機制，由于兩個電極之間接近而產生重要的粘性壓膜效應。

這種效應減少了機械諧振器的位移，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出相反的物理趨勢。造成這種問題的原因是同一部件承擔了兩種功能：光聲能量收集和電容換能。

為了克服這個問題，研究人員提出了一種被稱為“H諧振器”的創新設計，它將這兩個功能分配給兩個不同的部分。這種H諧振器表現出接近裸QEPAS技術的性能，通過改善光聲能量收集、可移動電極的位移和標稱電容，有望實現卓越的靈敏度。這項研究成果已發表于近期的Sensors期刊。

H諧振器在光聲激勵下偏轉的示意圖。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。由于對調制激光的吸收而產生聲波。

MEMS器件在其諧振頻率下的運動仿真

研究人員在最新的研究中重點改進了H諧振器。目標是開發用于光聲氣體痕量檢測的高靈敏度電容式MEMS。在這項工作中，研究人員進行了電學表征，以確定諧振器的頻率響應和標稱電容。

應用MEMS增強光聲光譜技術進行甲烷檢測的系統設計示意圖

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

在文章中，研究人員展示了利用所開發氣體傳感器進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。因為這種氣體傳感器基于光聲光譜技術，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，適用于多種應用領域。

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

審核編輯 ：李倩