湖南大學(xué)制備超高頻超靈敏MEMS傳感器，實(shí)現(xiàn)微質(zhì)量超靈敏探測(cè)

近日，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院微納制造與微系統(tǒng)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于電極質(zhì)量負(fù)載超靈敏的聲表面波敏感機(jī)制，并采用新型電子束納米加工藝、結(jié)合自主推導(dǎo)的專用鄰近效應(yīng)修正公式，制備了超高頻超靈敏的聲表面波MEMS傳感器，實(shí)現(xiàn)微質(zhì)量超靈敏探測(cè)和TNT爆炸物的低濃度檢測(cè)。

該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了超高頻聲表面波叉指電極的創(chuàng)新微納加工工藝，推導(dǎo)了專用的電子束鄰近效應(yīng)修正公式，結(jié)合先進(jìn)工藝及劑量修正公式，實(shí)現(xiàn)了線寬為35 nm、波長為160 nm的密集、超細(xì)長聲表面波叉指換能器，在低聲速的鈮酸鋰襯底材料上獲得了諧振頻率高達(dá)30 GHz的超高頻聲表面波器件，打破了目前該類器件工作頻率的世界紀(jì)錄，為超高頻濾波器、超靈敏傳感器、超高精度微流體執(zhí)行器的開發(fā)奠定了工藝基礎(chǔ)，相關(guān)成果發(fā)表在應(yīng)用物理及器件物理領(lǐng)域國際頂尖期刊Applied Physics Letters上。

圖1 超高頻聲表面波換能器的典型電子顯微鏡圖

基于上述超高頻器件，該研究團(tuán)隊(duì)提出了基于聲表面波電極質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)的全新敏感機(jī)制，實(shí)驗(yàn)上展示了14.84 pg的微質(zhì)量探測(cè)，其質(zhì)量敏感靈敏度高達(dá)6.351 x 10? MHz/μg，比傳統(tǒng)聲波傳播區(qū)域的敏感機(jī)制靈敏度高近1000倍，是傳統(tǒng)QCM質(zhì)量傳感器的1011倍，并成功實(shí)現(xiàn)了濃度為4.4 x 10?? M的 TNT爆炸物探測(cè)，相關(guān)成果發(fā)表在傳感器領(lǐng)域的國際頂尖期刊ACS Sensors上。

圖2 基于超高頻聲表面波器件電極質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)的微質(zhì)量探測(cè)和TNT超靈敏檢測(cè)

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，并得到汽車電子與控制技術(shù)教育部工程研究中心、國家先進(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新中心等機(jī)構(gòu)的支持。