新型玻璃基MEMS气体传感器，实现室温高灵敏氢气检测
2026-04-30 16:23:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究团队开发出一种基于选择性激光诱导蚀刻工艺的双腔玻璃基MEMS氢气传感器，可以在室温下工作。依托无键合的单片玻璃晶圆简化工艺，这项研究为微系统平台中的室温氢气检测提供了一种可规模化、低成本且高稳定性的新型气体传感器结构方案。
近年来，微纳加工技术的进步推动了传感芯片和加热电阻的小型化，使紧凑型、低功耗气体传感器成为可能，而微机电系统（MEMS）正是这一发展进程的核心支撑技术。典型MEMS催化型氢气传感器由微加热器、薄感测膜和高电阻温度系数（TCR）感测电极组成。为减少热量损耗，通常会对电极下方基底刻蚀形成腔体，利用空气隔热降低热传导。然而，传统的硅基底热导率较高，容易造成明显热泄漏。此外，腔体制备需经过多次薄膜沉积、光刻，部分情况下还需要晶圆键合，不仅增加了生产成本与工艺复杂度，还会降低器件良率。
据麦姆斯咨询报道，针对上述技术瓶颈，韩国汉阳大学（Hanyang University）、美国圣母大学（University of Notre Dame）的研究团队开发出一种基于选择性激光诱导蚀刻工艺的双腔玻璃基MEMS氢气传感器，可以在室温下工作。依托无键合的单片玻璃晶圆简化工艺，这项研究为微系统平台中的室温氢气检测提供了一种可规模化、低成本且高稳定性的新型气体传感器结构方案。相关研究成果以“Selective laser-induced etching process-enabled double-cavity glass MEMS hydrogen sensor at room-temperature sensitivity”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1 本研究论文的图文摘要
在这项工作中，研究人员提出了一种玻璃基MEMS氢气传感器，该器件依托单片玻璃晶圆腔体加工技术，搭配负载铂（Pt）催化剂的三聚氰胺-甲醛衍生氮掺杂碳球（NCS）载体。通过激光诱导选择性湿法刻蚀工艺，在单块玻璃晶圆内部一体化制备出高深宽比通孔与双腔结构，省去了多晶圆键合工序，显著简化了制造流程；同时，创新设计的双腔结构可进一步阻断热传导路径，强化热隔离效果。该传感器的悬浮敏感薄膜集成了铂叉指电极与图案化的Pt/NCS催化单元，其中吡啶氮、吡咯氮活性位点可有效促进氢气的解离与溢流效应，进而实现室温条件下的电阻式气体检测。
图2 双腔玻璃基MEMS氢传感器制备与传感原理
图3 双腔玻璃基MEMS氢气传感器的制造工艺、器件结构
为了验证该双腔玻璃基MEMS氢气传感器的性能，研究人员对其进行了有限元仿真与红外热成像测试，结果表明，在相同电驱动条件下，该传感器的低热导率玻璃基底与双腔结构可有效抑制热量散失，使敏感区域温度较平面结构同类传感器高出约10℃。这一热隔离优势可直接转化为传感器室温灵敏度的数量级提升，增幅约为10倍。
图4 基于仿真与红外测试的热隔离性能对比
图5 催化剂表征与室温氢气检测性能
这项研究的创新之处在于，研究人员通过激光诱导选择性刻蚀，在单片玻璃晶圆内一体化制备悬浮薄膜与同心双腔结构，无需传统的晶圆键合工艺，既简化了制造流程，又提升了热隔离性能。结合Pt/NCS功能化悬浮薄膜，该器件构建了一种可规模化、低成本且高可靠性的室温氢气检测平台，为低功耗、高性能MEMS气体传感器的开发提供了新的结构设计思路。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01265-6
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