Sensors | 弱耦合压电MEMS谐振器：探测100纳米级微粒世界

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压电微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS) 中的谐振器在改进高分辨率、低功率的理、化、生传感器方面显示出巨大潜力。基于压电传感的谐振MEMS为谐振重量传感提供了独特的属性组合，本文报道的这项工作成功解决了对直径小于100纳米的微粒的检测。

近期，剑桥大学的Ashwin A. Seshia 教授及其科研团队在Sensors 期刊上发表了一项相关研究。考虑到柴油煤烟微粒在日常生活中对健康的影响，科研人员取其为研究对象，对内燃机100纳米及以下的柴油煤烟微粒进行了检测，使用耦合MEMS谐振器直接估算煤烟微粒质量，并用凝聚微粒计数器间接估算作为参考项，成功证明了弱耦合MEMS重量分析传感器检测超细微粒的潜力。

实验研究系统结构

实验研究系统由如下几部分构成 (图1)：

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耦合MEMS谐振器

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经装配设计的MEMS谐振器及变频装置

使用绝缘硅 (Silicon-on-Insulator, SOI) 晶片，采用两组电极驱动-两组电极传感的双端口换能器，在单谐振器驱动-双谐振器检测的配置下运行。

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煤烟微粒生成器

以丙烷 (65–105 std·cm³/min) 作为气体燃料源，氮气 (3 std·L/min) 作为鞘流，在同向流动逆向扩散的燃烧环境中，丙烷和空气 (1.2 std·L/min) 燃烧产生稳定的含碳煤烟微粒。

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差示迁移分析器和凝聚微粒计数器

在老化室的出口连接一个差示迁移分析器 (Differential Mobility Analyser, DMA)，之后再连接凝聚微粒计数器 (Condensation Particle Counter, CPC)，来筛选大小为100纳米的煤烟微粒，并把它们收集到撞击平台的MEMS谐振器表面。

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MEMS撞击平台和测试电子设备

通过粒径筛选出的100纳米煤烟微粒被连接到含有弱耦合谐振器的MEMS撞击平台，其出口通过一个针型阀连接到一个真空泵上，然后通往排气口。真空泵帮助调节入口流速，通过将煤烟微粒吸入MEMS谐振器的喷嘴，使其沉积到MEMS装置表面。

图1. 实验研究系统：煤烟微粒生成器，MEMS冲击台，谐振器和相关电子器件。

文中比较了基于振幅比位移和基于谐振频移的耦合MEMS谐振器来检测纳米级柴油煤烟微粒的灵敏度，并讨论了长时间段实时检测微粒的可能性。

灵敏度比较

基于振幅比位移的灵敏度比基于谐振频移的灵敏度高3个数量级。通过20分钟的撞击，振幅比从1.8增加到2.05，表明即使在保持低浓度时，耦合谐振器产生的振幅比数值变化对煤烟微粒质量也高度敏感。这证实了在弱耦合MEMS谐振器中应用振动模式区域化原理，可以增加MEMS传感器对煤烟微粒质量增量的灵敏度 (如图2)。

图2. 基于振幅比位移和基于谐振频移的耦合MEMS谐振器的灵敏度对比。

长时间段实时微粒检测

通过稳定性分析发现，在较短积分检测时间内，在耦合MEMS谐振腔系统中，由于冲击而引起的煤烟微粒的最小质量的细微变化，可通过振幅比位移输出和谐振频移输出两种方式进行分辨。然而，振幅比位移作为输出度量的优越性在于，对于长时间段检测 (在本例中时长大于1000秒)，它具有更稳定的检测能力和更高的分辨率 (如图3)。

图3. 根据灵敏度值对试验稳定性进行估计，结果表明使用振幅比输出度量形式更适用于对微粒进行长时间长时间段的检测。

迄今为止，用于测量煤烟微粒的多数MEMS微粒测量系统都使用谐振频移作为输出度量形式。而与此类传统传感器相比，弱耦合MEMS谐振器系统中采用的振幅比位移输出形式，更适合应用于芯片级微粒MEMS传感器来进行长时间段实时的微粒检测。

实验结果

本文提供了MEMS重量分析传感器检测超细微粒物质的示范试验。作者展示了基于弱耦合压电MEMS谐振器的装置，并用其检测直径约100纳米的柴油煤烟微粒的能力，同时追踪记录了谐振频率和谐振器振幅两种输出度量形式的结果。通过比较，可以看到耦合MEMS谐振器中采用振幅比位移作为输出度量形式对吸附的微粒具有更高的灵敏度，而且采用这种形式的耦合MEMS谐振器在需要做长时间段实时微粒检测时优越性更高。本工作未来会研究相关电子元件的驱动和读出的压缩问题，以及通过整合双MEMS谐振器传感平台和空气微流控 (装置) ，来构建价格低廉的谐振MEMS传感器阵列，以实现多路复用实时微粒检测。

Sensors (ISSN 1424-8220) 于2001年创刊，2019年最新影响因子为3.275，在JCR 'Instruments & Instrumentation'学科分类中排名居Q1(15/64)；2019 CiteScore为5.0，在Scopus 'Physics and Astronomy: Instrumentation'学科分类中排名居Q1(17/129)。作为一个国际型开放获取期刊，Sensors主要刊载传感器科学和技术研究领域的学术文章，采取单盲同行评审，一审周期约为15天，文章从接收到发表仅需2.6天。

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原文出自Sensors期刊

Chellasivalingam, M.; Imran, H.; Pandit, M.; Boies, A.M.; Seshia, A.A.Weakly Coupled Piezoelectric MEMS Resonators for Aerosol Sensing. Sensors2020, 20, 3162.

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版权声明：

*翻译作者：Janie Zhang

*本文内容由MDPI中国办公室编辑负责撰写，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：

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