基于双重传感模式的MEMS谐振器设计

在环境监测、医疗诊断和工业产品制造等领域，能够对多种分析物进行选择性检测的高性能气体/化学传感器是近些年研究关注的热点。

微纳米机电系统(MEMS/NEMS)谐振器由于其痕量级检测能力、小型化结构、批量制造工艺和低功耗等特点，在检测物理/化学刺激(如质量定量、压力传感和气体检测)方面具有非常高的潜力，是制备具有出色选择性和稳定性的智能低功耗微型传感器的理想选择。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)、法赫德国王石油矿产大学(KFUPM)和纽约州立大学宾汉姆顿分校(SUNY-Binghamton)的研究团队共同合作，开发了一款基于双重传感模式的MEMS谐振器，可同时对湿度和氦(He)进行选择性检测。该研究为开发可对多种气体/化学物质进行高选择性分析的单个谐振器开辟了新的思路，研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

MEMS谐振器的灵敏度很大程度上取决于谐振器的共振频率及其质量，谐振器的不同几何形状会影响器件的灵敏度。缩小器件尺寸可产生更高的谐振频率，从而提高灵敏度，但质量表面的减小会导致灵敏度降低，为此，研究人员提出了一种新的制备策略。

该MEMS谐振器由连接到悬臂梁的夹紧导向拱梁和T形可移动质量块组成，能够同时驱动多种不同振动模式。一种振动模式以可移动质量块的运动为主，另一种振动模式以悬臂梁弯曲变化为主。

多模MEMS谐振器结构示意图

研究表明，该多模MEMS谐振器可用于同时检测湿度和和氦气。其质量模式对相对湿度表现出强烈的响应，具有优异的选择性，这是由于涂有氧化石墨烯(GO)的可移动质量块具有高亲水性。另一方面，其轴向驱动的拱梁可以对氦气表现出选择性响应，这归因于其对周围气体热电容的变化具有高灵敏度。

基于多模MEMS谐振器的气体传感装置示意图

具有不同质量表面的三个器件(D1、D2和D3)的频率响应和传感特性

能同时驱动多种不同振动模式的MEMS谐振器对于选择性地检测特定目标分析物至关重要。值得一提的是，该多模MEMS谐振器目前还无法实现对三种以上的混合气体进行检测。要想解决混合气体传感中的交叉灵敏度问题，有效的方案之一是基于数据处理或机器学习技术。

研究人员认为，该MEMS谐振器的设计与制备方法为微型便携式电子设备以及高选择性传感器的发展开辟了新的领域。同时，基于其低成本、小尺寸、高灵敏度、良好线性度和低功耗等性能优势，未来有望在物联网和无线传感器网络等领域广泛应用。

原文标题：基于双重传感模式的MEMS谐振器助力实现分析物的选择性检测

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审核编辑：汤梓红