能夠集成進入有線/無線傳感器網絡的微型傳感器，使環境參數的高保真、連續監測成為可能。利用這些傳感器克服當前監測設備局限性的方向之一，是重量傳感。
盡管已經開發出了一系列重量傳感技術，但它們往往會因為尺寸、便攜性、成本、功耗以及無法測量一些感興趣的分析物而受到限制。在此背景下，MEMS和CMOS技術提供了一個很有前景的集成平臺，能夠實現氣體分析和顆粒物監測重量傳感器的小型化和集成，同時解決當前技術存在的許多局限性。
在重量測量傳感應用中，MEMS傳感器可以提供的額外優勢包括感測直徑小于100納米的超細顆粒。由于這些超細顆粒對人類健康的有害影響，超細顆粒感測的重要性已得到廣泛認可。
目前的感測方案包括商用冷凝顆粒計數器，但是這些計數器只提供了關于數量濃度的估計值，而不是總質量或質量濃度的直接測量值，并且，在檢測之前還需要一個系統通過蒸汽冷凝將顆粒放大到足夠大的直徑。然后，當顆粒被收集到MEMS傳感器的表面上，可以應用其他技術進行成分分析等進一步表征。
據麥姆斯咨詢報道，英國劍橋大學納米科學中心和工程系的一支研究團隊近期在Sensors上發表了一篇題為“Towards Portable MEMS Oscillators for Sensing Nanoparticles”的論文。論文展示了MEMS傳感器（硅上壓電諧振質量傳感器）在檢測超細顆粒方面的適用性。
MEMS傳感器的另一個優勢是微型化和集成潛力，包括與CMOS超大規模集成（VLSI）工藝的制造兼容性。
MEMS振蕩器此前已被證明是多種類型傳感器的關鍵組件，包括質量傳感器、檢測分子相互作用的生物傳感器、靜電計、加速度計、AFM探針以及壓力傳感器等。在所有這些傳感器中，MEMS振蕩器的性能至關重要，通常是整個系統性能的關鍵因素。值得關注的是，硅上壓電MEMS諧振器已成為振蕩器和傳感器極具前景的候選構建元件，它結合了良好的機電耦合特性，并改善了環境條件下相對于等效電容MEMS器件的功率處理。
對于將硅上壓電諧振器集成為頻率確定元件的振蕩器，這些特性能夠改善其相位噪聲和頻率穩定性。利用壓電換能的這些優勢，已有文獻證明了其在重量傳感中的應用，包括液體中的顆粒物檢測和質量傳感。
在論文中，研究人員報道了一種嵌入鎖相振蕩器回路中的壓電換能體聲MEMS諧振器，用于檢測超細顆粒，例如實驗室生成的銀納米顆粒和室內環境中觀察到的顆粒。這項研究的重點是驗證這種傳感器在自然室內環境或受控實驗過程中感測納米顆粒的性能。這些器件的工作原理基于監測超細顆粒吸附到諧振器表面而造成的MEMS振蕩器輸出頻移。
實驗裝置
研究人員在論文中詳細介紹了兩類實驗裝置：（i）室內顆粒實時監測裝置和（ii）銀納米顆粒實時監測裝置。具體來說，進行了兩種類型室內顆粒的沉積，并且在這兩種情況下，均未對室內大氣中存在的顆粒進行尺寸選擇。
本研究中使用的實驗裝置及其組件
MEMS沖擊實驗臺（MIS）
MEMS諧振器位于MIS內，基于慣性沖擊原理在諧振器表面上進行顆粒沉積。在該技術中，氣流中大于一定尺寸的顆粒將通過噴嘴入口到達作為沖擊板的MEMS諧振器表面。將一個真空泵連接在MIS排氣口處，以便通過噴嘴入口將顆粒拉向MEMS諧振器表面。
MIS實驗裝置（左）及其分解圖（右）
MEMS諧振器設計、制造和壓電換能
本實驗中使用的MEMS諧振器是一個邊長為200 μm、硅器件層厚為10 μm的方形板。該方形板諧振器的兩個角由T形錨梁固定。在硅器件層上沉積AlN層以實現壓電換能。金屬電極被圖案化在壓電材料的頂部，用于驅動諧振器并感測運動響應。
通過驅動電極施加交流電壓以激勵諧振器運動。結果，隨時間變化的力被施加到諧振器，施加力的頻率等于施加的交流信號頻率。輸出電信號由圖案化在同一基板上的感應電極檢測，如下圖所示。
由T形錨梁懸掛的200 μm邊長方形板MEMS諧振器的明場（a）和暗場（b，c）顯微圖像
將銀納米顆粒源連接到MIS裝置，通過慣性沖擊在MEMS諧振器表面沉積。
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通過慣性沖擊沉積在MEMS諧振器表面的室內顆粒
總體來說，該研究展示了一種用于實時監測銀納米顆粒沉積和室內顆粒的MEMS傳感器裝置，以期最終開發一種便攜式重量傳感設備。采用5.999 MHz硅上壓電MEMS諧振器作為傳感器元件，并集成在MEMS沖擊實驗臺中，用于測試超細顆粒的檢測。論文詳細闡述了這種實驗裝置，評估揭示了MEMS元件周圍可能影響響應的裝置細節。根據所選擇的采樣時間和積分時間，測量的總質量范圍高達7.993納克，最小可檢測質量極限為~60飛克至0.12皮克。
雖然本研究為將MEMS諧振器應用于顆粒監測測量的可行性提供了證據，但開發一種充分利用MEMS/電子協同集成優勢的微型化儀器，還需要開展大量工作，并進一步優化流體和顆粒沉積機制。目前的研究結果表明，解決上述工程優化工作，可以為開發便攜式、低成本的緊湊型顆粒監測儀器奠定基礎。
審核編輯：劉清