集成压阻传感器的MEMS振镜，突破光声光谱气体检测的短板
2026-07-12 10:19:07   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，光声光谱（PAS）技术凭借高灵敏度、高选择性以及零背景检测能力，在痕量气体检测领域取得了快速发展。光声光谱技术将吸收的光能转化为压力波，能够以无创且高灵敏度的方式对气体成分进行定性和定量分析。这些优势使得光声光谱成为环境监测、工业过程控制、医疗诊断等领域极具吸引力的技术。随着研究不断推动光声光谱技术向更低检测限和更广泛适用性发展，小型化、高稳定性声换能器的研发已成为提升系统性能的关键。因此，光声池和传感器的设计对于实现高精度测量也变得愈发重要。

MEMS器件体积小、功耗低、支持片上集成，是实现微型光声光谱系统的理想方案。据麦姆斯咨询报道，哈尔滨工业大学（深圳）和机械工业仪器仪表综合技术经济研究所的研究团队近期设计了一款集成压阻角度传感器的MEMS振镜，能够在宽泛的气体浓度范围内线性采集光声信号。为进一步增强气体检测灵敏度，该研究采用了光声光谱双谐振系统。最后，在光声光谱系统中引入所制备的MEMS振镜实现了二氧化碳（CO₂）检测。该MEMS方案为研发高性能微型光声光谱系统提供了极具前景的技术路线。相关研究成果已经以“A MEMS Skewed Oscillating Mirror with Built-In Piezoresistive Sensor for Photoacoustic Gas Detection”为题发表于2026 IEEE MEMS会议。

图1 集成压阻角度传感器的MEMS振镜示意图

器件设计

图1为适配光声气体检测、集成两组压阻传感器的MEMS振镜结构示意图。矩形镜面通过偏置端的两根扭杆支撑。非对称偏置结构扩大了声波接收面积，可产生更大扭转力矩，实现更大振动幅值。镜面随扭杆周期性振动时，扭杆根部产生应力应变，应力场沿扭杆呈45°梯度分布。

基于上述应力分布，在该区域植入离子掺杂电阻构成全惠斯通电桥：四支电阻正交排布，用于检测镜面扭转角度。镜面左右摆动时，电阻对（R₁、R₃）与（R₂、R₄）分别与应力梯度方向保持一致，可精准采集扭杆根部应变。差分放大输出信号与镜面扭转角成正比，同时抑制面外平移带来的干扰。依托结构对称性，两根扭杆根部各布置一组惠斯通电桥传感器。

图2 MEMS振镜与光声腔的本征频率仿真

器件制备

图3展示了集成压阻传感器的MEMS振镜制造工艺。首先，采用4英寸绝缘体上硅（SOI）晶圆（50–1–525 μm），电阻率0.01Ωcm，通过干法热氧化形成一层30 nm的SiO₂层，以最小化沟道效应并作为离子注入的缓冲层。然后，低剂量掺杂区域以40 keV，2.5 x 10¹³ ions/cm²注入n型磷，高剂量掺杂区域则以45 keV，5 x 10¹⁵ ions/cm²注入。然后在1050℃下退火30分钟以激活传感器，通过PECVD沉积一层300 nm的SiO₂绝缘层。

图3 集成压阻传感器MEMS振镜的制备工艺

随后通过干法蚀刻开出电互连窗口，溅射并图案化Cr-Au层（30–300 nm）以制作电极焊盘，随后在450℃下进行10分钟快速热退火。再通过深反应离子蚀刻（RIE）定义出镜体结构，通过再次RIE制作背面腔体结构。最后，蚀刻剩余的氧化层以释放MEMS镜面，完成器件制备。

图4 （a）完成制备并进行引线键合的MEMS振镜；（b）局部放大的压阻式惠斯登电桥角度传感器

器件评估

集成压阻传感器的MEMS振镜采用非对称结构MEMS镜面，在声波激励下更易产生扭转运动。集成的压阻式惠斯通电桥角度传感器可对扭转角（即谐振振幅）进行线性检测。为增强光声信号，MEMS振镜的谐振频率（设计值：5702 Hz，实测值：5222 Hz）与光声腔的谐振频率（设计值：5249 Hz）尽可能匹配。在5222 Hz谐振频率的声波激励下，该MEMS振镜展现出15.43 mV/Pa（偏置电压：1 V）的高灵敏度，且具备线性响应特性。在单一调制周期下，其一次谐波（1f）光声信号可在500～20000 ppm宽泛CO₂浓度范围内线性检测。

图5 用于CO₂检测的光声光谱测量装置

为表征所开发的MEMS振镜，研究人员搭建了用于CO₂检测的光声光谱测量装置。为了实现一次谐波检测，激光在MEMS振镜的谐振频率下进行调制。为了验证所构建的光声光谱双谐振系统的可靠性，测试了不同浓度CO₂气体样品。图6（a）展示了在10 s调制周期内记录的1f光声信号，覆盖了从500～20000 ppm的宽泛浓度范围。图6（b）展示了CO₂气体浓度与1f信号峰值之间的线性关系。线性拟合表现出异常的线性响应，确定系数（R²）高达0.999，表明在测试的宽浓度范围内具有很强的相关性。为了评估光声光谱双谐振系统的灵敏度和长期稳定性，进行了Allan-Werle方差实验。所设计的光声光谱双谐振系统在120 s积分时间内表现出稳定性。值得注意的是，系统积分时间设置为120 s，最低检测限显著提高至42 ppm。

图6 宽泛CO₂浓度范围内的1f光声信号及其线性关系

结论

该研究提出了一款集成压阻角度传感器的MEMS振镜，能够在宽泛的气体浓度范围内线性采集光声信号。其MEMS振镜提升了声波接收效率与振动幅度。集成的惠斯通电桥压阻传感单元，可精准线性采集扭转角度。采用光声光谱双谐振系统，通过使MEMS振镜的谐振频率与光声池的声学频率匹配，从而显著提升了系统的检测灵敏度。该器件基于标准4英寸SOI晶圆制备，谐振频率5222 Hz，Q值421。实验结果表明，该系统在500~20000 ppm的CO₂浓度范围表现出优异的线性响应，灵敏度达0.0024 μV/ppm，检测限低至42 ppm。展望未来，研究团队将进一步优化器件结构以提升Q值，并拓展多种气体同步检测的能力。

论文链接：https://doi.org/10.1109/MEMS64181.2026.11419368

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