基于压电微机械超声换能器（PMUT）增强的光诱导热弹性光谱技术实现高灵敏乙炔（C2H2）传感

为解决高精度乙炔（C2H2）检测在工业安全、环境监测及电力设备故障诊断中的难题，研究人员开展了基于压电微机械超声换能器（PMUT）增强的光诱导热弹性光谱（LITES）传感研究。通过创新设计八悬臂梁结构PMUT，结合光路折叠70倍的微型多通池（Mini-MPC），实现了45倍信号增强和2 ppm的最低检测限。该研究为开发高灵敏、便携式、低成本C2H2检测系统提供了新方案，具有重要应用价值。

　　

乙炔（C₂H₂）作为一种重要的工业原料和化学中间体，广泛应用于焊接、有机合成和电子制造等领域。然而，其高度易燃易爆的特性使得工业环境中的安全管理变得至关重要。即使在低浓度下，C₂H₂与空气混合也可能形成爆炸性混合物。从环境和健康角度来看，C₂H₂被归类为挥发性有机污染物，其泄漏不仅会恶化空气质量，还会对健康构成严重威胁。在电力设备监测领域，C₂H₂作为气体绝缘开关设备（GIS）故障诊断的关键指示气体，其浓度变化能够反映设备故障的类型和严重程度。因此，高精度检测C₂H₂浓度具有重要的实际意义。

传统的激光吸收光谱（LAS）技术虽然具有高灵敏度和选择性，但存在成本高、波长选择性限制以及对高灵敏度探测器的要求等问题。光声光谱（PAS）技术具有抗干扰能力强和无需波长选择性的优点，但在腐蚀性气体环境中的应用受到限制。近年来，激光诱导热弹性光谱（LITES）技术作为一种有前景的替代方案，基于热弹性效应，通过测量激光吸收后热电换能器中局部温度波动引起的机械振动来检测气体浓度。在各种换能器中，石英音叉（QTF）显示出在小型化和低功耗操作方面的巨大潜力，但其性能受到机械品质因数的限制，且其毫米级尺寸限制了与微型光学系统或芯片级平台的集成。

为了克服这些限制，研究人员将注意力转向基于薄膜的换能器，这些换能器具有优异的灵活性、可调谐的共振频率（kHz到GHz范围）以及与CMOS技术兼容的微米级特征尺寸。这类进步促进了与光学元件的无缝集成，为开发紧凑、低成本和便携式的C₂H₂检测系统铺平了道路。

在这项发表在《Photoacoustics》的研究中，Wei Wei、Kelu Zhou、Ruyue Cui、Zhengguo Shang、Hongpeng Wu和Lei Dong团队开发了一种基于压电微机械超声换能器（PMUT）的LITES气体传感器。为了增强检测灵敏度，他们设计了一种CMOS兼容的PMUT，采用多梁悬臂结构，通过结构调谐实现宽带宽多频率操作。高频操作进一步抑制了环境噪声，提高了灵敏度和信噪比（SNR）。该传感器将PMUT作为LITES敏感元件，并集成了微型多通池（MPC）用于气体检测。这项工作为推进光热弹性光谱在气体传感应用中的发展提供了新策略。

研究人员采用分布式反馈（DFB）激光器作为激发源，波长匹配C₂H₂吸收线；设计微型多通池（Mini-MPC）实现70倍光路增强；开发八悬臂梁结构PMUT作为传感元件；通过有限元模拟优化器件结构；采用波长调制光谱和锁相放大技术进行信号检测。研究使用标准C₂H₂气体样本（浓度1003 ppm，不确定度1%）进行系统校准。

2.1. 系统设置

研究团队构建了PMUT基LITES气体传感系统，采用中心波长1.53 μm的连续波分布式反馈（DFB）激光器作为激发源。激光输出通过准直透镜组件光纤耦合到微型多通池（Mini-MPC）中，将光束整形为光斑直径100 μm的平行配置。定制设计的微型Mini-MPC采用紧凑对称结构，配备两个高反射率凹面镜（曲率半径：25 mm；反射率：99.06%），安装在4 cm × 4 cm × 6 cm的腔室内。通过精确优化输入位置和入射角，0.6 mm直径的准直激光束在镜面之间经历108次非重叠反射，将有效吸收路径长度从物理腔距6 cm延长至4.2 m，实现70倍的光路增强。扩展的光路显著放大了光热信号，同时在反射序列中保持优异的光束质量。

2.2. 器件设计

PMUT作为光热检测系统的核心传感组件，其材料选择和结构设计关键决定了整体系统性能。提出的PMUT器件采用创新架构，包含八个对称分布的三角形悬臂梁单元，通过十字形蚀刻工艺进行表面薄膜释放。器件采用精密设计的四层薄膜堆叠结构：0.2 μm钼（Mo）顶电极层用于电荷收集，1 μm氮化铝（AlN）压电功能层，0.2 μm钼底电极层和200 nm二氧化硅（SiO₂）支撑层。通过理论分析和COMSOL Multiphysics有限元模拟系统研究了PMUT的光热电机械特性。模拟结果表明，在200 kHz高频操作下，战略设计的机械槽有效释放薄膜约束，导致应力-变形转换效率显著增强。对各种结构配置（包括传统薄膜、单槽和1/4/6/8悬臂梁设计）的全面比较分析显示，八悬臂梁结构实现了最优性能，在相同光激发条件下产生最显著的热弹性变形5.8 nm。

2.3. 器件制备与表征

PMUT器件采用多层架构，包含Mo顶电极、AlN压电功能层、Mo底电极和背腔，所有功能层通过十字形隔离槽图案化为八个对称分布的三角形悬臂梁单元。制备工艺从4英寸双面氧化硅衬底（300 μm厚度，200 nm氧化层）开始，通过顺序沉积形成0.2 μm Mo/1 μm AlN/0.2 μm Mo多层结构，随后进行干法蚀刻工艺。所有关键工艺步骤均采用标准后CMOS制造技术，与商业晶圆代工平台完全兼容。截面SEM表征证实制备的器件保持精确尺寸控制，测量的AlN层厚度为1 μm，Mo电极和SiO₂衬底均为约200 nm，与设计规格高度一致。阻抗谱分析显示在35 kHz和198.8 kHz有两个明显的共振峰，后者阻抗为59 MΩ，在目标工作频率表现出强共振增强。

3. 结果与讨论

八悬臂梁PMUT器件的工作区域是压电薄膜，在激光照射下前后表面均表现出光热响应。但由于每个表面不同的微/非结构特性，器件表现出显著的光热性能不对称性。1003 ppm C₂H₂标准气体测试结果显示，在相同照射功率下，前表面实现15.99 μV的光热响应幅度，相比后表面响应增强1.32倍。根据比尔-朗伯定律，虽然增加光路长度增强气体吸收，但传统单通配置受空间限制。研究实施的Mini-MPC设计通过在紧凑尺寸内反射传播实现有效光路倍增。比较实验表明，随着气体-激光相互作用长度延长，前表面2f信号幅度增加至29.27 μV（增强1.83倍），同时信噪比显著改善至191.51（增强1.41倍）。这些结果确证了多通池对LITES基气体检测的性能增强，并建立了光路优化改善器件性能的可行性。

PMUT器件在宽频谱显示多个共振峰。为了评估其气体传感性能，系统比较了在两个不同共振频率：35 kHz和198.8 kHz的C₂H₂检测特性。在相同实验条件（固定光功率，1000 ppm C₂H₂浓度）下，测量显示在198.8 kHz检测能力显著增强，2f信号幅度达到38.37 μV。这优越性能确立198.8 kHz作为后续实验的最佳工作频率。进一步研究2f信号的光功率依赖性，使用光放大器将原始18 mW激光输出放大至300、350和450 mW。结果确定450 mW为系统性能最优点。该工作点接近传输光纤的最大功率耐受性，同时确保稳定、高信噪比输出，从而提供检测灵敏度与系统可靠性之间的理想平衡。

为了研究器件的线性测量能力，使用气体混合系统产生不同浓度的C₂H₂气体，范围从1000 ppm到50 ppm，引入Mini-MPC。检测结果表明PMUT的输出信号与Mini-MPC中的C₂H₂浓度成正比。线性拟合后，R平方值为0.99936，表明系统对C₂H₂浓度表现出优异线性响应。为了评估长期稳定性，监测器件对1000 ppm C₂H₂标准气体在60分钟内的连续响应。随后的Allan偏差分析显示在64秒平均时间系统性能最优，产生2 ppm的最低检测限。这全面表征证明了PMUT基检测系统的精度和稳定性。

4. 结论

研究团队开发了一种新型高灵敏度C₂H₂-LITES传感器，采用创新的八悬臂梁结构。这种独特设计增强机械放大，实现微小热变形到可测量位移的有效转换。通过系统研究PMUT结构、共振频率、激光强度和LITES光谱特性之间的相互关系，实验优化了所有关键参数。器件在198.8 kHz表现出优于35 kHz操作的气体检测性能，实现38.37 μV的2f信号幅度 - 代表3.65倍增强。首次报道的PMUT-LITES基C₂H₂传感器实现2 ppm检测灵敏度，同时在浓度梯度上保持优异线性响应。理论和实验分析均确认光功率和光路长度对系统灵敏度的显著影响，表明通过优化光源和光路设计可进一步改进。该技术相比现有C₂H₂传感器具有两个关键优势：(1) 通过结构设计修改可调谐共振频率，(2) CMOS兼容制造工艺。这些特点建立了开发高性能、便携式和成本效益C₂H₂检测系统的新范式，在工业安全监测和设备故障诊断等领域具有潜在应用前景。