基于模态局域化的MEMS气体传感器及其制备方法

本申请涉及mems气体传感器，提供一种基于模态局域化的mems气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、微机电系统（mems）气体传感器具有体积小、功耗低、易于批量制备与系统集成等优势，在环境监测、工业安全、食品仓储等领域具备广阔的应用前景。传统谐振式mems气体传感器基于谐振频率偏移实现气体浓度检测，其性能受热噪声、检测电路分辨率等因素制约，难以满足痕量气体的高精度检测需求。模态局域化效应利用弱耦合谐振系统中振幅比对微小频率失配的高敏感特性，可将传感灵敏度提升至传统频率检测模式的数倍乃至数个量级，是突破现有mems气体传感器性能瓶颈的重要技术方向。

2、现有模态局域化mems气体传感器采用双谐振器搭配弱耦合结构的基本架构，两个标称几何参数与材料属性一致的谐振器并排设置于衬底表面，二者之间通过弱耦合结构建立机械连接，构成双自由度耦合谐振系统；气敏功能材料同步制备于两个谐振器的表面，通过吸附待测气体分子改变谐振器等效质量，进而引发系统振动能量的局域化转移，最终通过检测双谐振器的振幅比实现气体浓度的定量检测。器件制备依托标准mems光刻、刻蚀等微纳加工工艺完成谐振结构与耦合结构的加工，气敏层多采用涂覆、沉积等工艺实现双谐振器表面的同步覆盖。

3、受光刻对准偏差、刻蚀速率波动、薄膜应力分布不均等微纳加工固有误差的影响，名义参数完全一致的双谐振器实际固有频率存在明显差异，初始频率失配会大幅削弱模态局域化效应，直接导致器件检测灵敏度不足、晶圆级批量制备的成品率极低；同时双谐振器同步制备气敏层的工艺方式，会因涂覆厚度、覆盖面积的均匀性差异引入额外的随机频率偏差，进一步恶化双谐振器的频率匹配状态，无法从根本上解决初始频率失配的核心问题。

技术实现思路

1、本申请为解决现有的双谐振器实际固有频率存在明显差异，初始频率失配会大幅削弱模态局域化效应，直接导致器件检测灵敏度不足、晶圆级批量制备的成品率极低的问题，一方面提供一种基于模态局域化的mems气体传感器，包括衬底、第一谐振器、第二谐振器、弱耦合梁以及碳纳米管功能层；

2、所述第一谐振器与所述第二谐振器均固定设置于所述衬底的上表面；

3、所述第一谐振器与所述第二谐振器沿水平方向并排布置；

4、所述第一谐振器与所述第二谐振器之间存在预设间隔，所述弱耦合梁位于所述预设间隔内；

5、所述弱耦合梁的第一端与所述第一谐振器朝向所述第二谐振器的侧壁固定连接，所述弱耦合梁的第二端与所述第二谐振器朝向所述第一谐振器的侧壁固定连接；

6、所述碳纳米管功能层仅附着于所述第一谐振器的上表面，或仅附着于所述第二谐振器的上表面。

7、在一种可行的实现方式中所述碳纳米管功能层位于对应谐振器振动模态的位移最大区域的上表面；

8、所述碳纳米管功能层沿对应谐振器长度方向的覆盖长度为对应谐振器总长度的10%～40%。

9、在一种可行的实现方式中所述弱耦合梁的耦合刚度kc与所述第一谐振器、所述第二谐振器的本体刚度k的比值范围为10-4≤kc/k≤10-1。

10、在一种可行的实现方式中所述碳纳米管功能层由单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或功能化碳纳米管中的任意一种材料构成。

11、在一种可行的实现方式中所述第一谐振器与所述第二谐振器均为单端固定的悬臂梁结构；

12、所述悬臂梁的固定端与所述衬底的上表面固定连接，所述悬臂梁的自由端沿水平方向向远离自身固定端的一侧延伸；

13、所述弱耦合梁连接于所述第一谐振器的梁体侧壁与所述第二谐振器的梁体侧壁之间。

14、本申请另一方面提供一种基于模态局域化的mems气体传感器的制备方法，用于制备如上述任一项所述的基于模态局域化的mems气体传感器，包括步骤：

15、在衬底上制备几何结构一致的第一谐振器与第二谐振器，并在所述第一谐振器与所述第二谐振器之间制备弱耦合梁，得到带有初始频率差的耦合谐振结构；

16、测试得到所述第一谐振器的固有频率与所述第二谐振器的固有频率；

17、对比所述第一谐振器的固有频率与所述第二谐振器的固有频率，确定频率值较高的谐振器；

18、采用喷墨打印工艺向频率值较高的谐振器的上表面喷射碳纳米管墨水，在所述频率值较高的谐振器的表面形成碳纳米管功能层，通过质量加载效应降低所述频率值较高的谐振器的固有频率，直至所述第一谐振器与所述第二谐振器的频率差落入预设匹配区间。

19、在一种可行的实现方式中还包括步骤：

20、在所述频率值较高的谐振器的表面形成碳纳米管功能层之后，对打印有所述碳纳米管功能层的耦合谐振结构进行热退火处理以完成频率锁定，再对完成频率锁定的耦合谐振结构进行封装处理。

21、在一种可行的实现方式中所述采用喷墨打印工艺向频率值较高的谐振器的上表面喷射碳纳米管墨水的步骤包括：

22、采用迭代打印方式向频率值较高的谐振器的上表面喷射碳纳米管墨水；

23、每完成一次定量液滴的打印操作后，测试所述频率值较高的谐振器的固有频率；

24、根据当前所述第一谐振器与所述第二谐振器的频率差调整下一次打印的液滴数量，重复执行打印与频率测试的操作，直至所述第一谐振器与所述第二谐振器的频率差落入预设匹配区间。

25、在一种可行的实现方式中所述碳纳米管墨水为单壁碳纳米管分散液、多壁碳纳米管分散液或功能化碳纳米管分散液中的一种，所述碳纳米管墨水的质量浓度为0.1-0.5mg/ml；

26、所述喷墨打印工艺采用压电式喷墨打印机执行，单个墨滴的体积为10pl。

27、在一种可行的实现方式中所述预设匹配区间为所述第一谐振器与所述第二谐振器的固有频率失配率不大于0.1%。

28、本申请提供的基于模态局域化的mems气体传感器及其制备方法，通过单侧选择性设置碳纳米管功能层的结构设计，将碳纳米管材料同时作为频率校准的质量调节单元与气敏检测的敏感单元，在不额外增加器件结构复杂度与加工工序的前提下，可针对每个器件的个体频率差异进行定制化补偿，精准抵消工艺误差带来的初始频率差，使双谐振器达到激活模态局域化效应所需的高匹配精度，有效提升气体检测灵敏度与批量制备成品率。单侧功能层的设置使未覆盖功能层的谐振器可保持结构与材料的纯净性，作为稳定的参考基准，能够抑制温度、环境压力等共模干扰对检测结果的影响，提升检测的稳定性与准确性。将碳纳米管功能层布置于谐振器振动模态的位移最大区域，可最大化单位质量的频率牵引作用，减少功能层引入的机械阻尼，有利于维持谐振器较高的品质因数，同时放大气体吸附引发的振幅比变化幅度，进一步强化气体检测灵敏度。配套的喷墨打印迭代校准制备工艺，具备校准精度高、工艺兼容性强的优势，可直接依托现有mems产线实现器件的规模化生产。

1.一种基于模态局域化的mems气体传感器，其特征在于，包括衬底（1）、第一谐振器（2）、第二谐振器（3）、弱耦合梁（4）以及碳纳米管功能层（5）；

2.根据权利要求1所述的基于模态局域化的mems气体传感器，其特征在于，所述碳纳米管功能层（5）位于对应谐振器振动模态的位移最大区域的上表面；

3.根据权利要求1所述的基于模态局域化的mems气体传感器，其特征在于，所述弱耦合梁（4）的耦合刚度kc与所述第一谐振器（2）、所述第二谐振器（3）的本体刚度k的比值范围为10-4≤kc/k≤10-1。

4.根据权利要求1所述的基于模态局域化的mems气体传感器，其特征在于，所述碳纳米管功能层（5）由单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或功能化碳纳米管中的任意一种材料构成。

5.根据权利要求1所述的基于模态局域化的mems气体传感器，其特征在于，所述第一谐振器（2）与所述第二谐振器（3）均为单端固定的悬臂梁结构；

6.一种基于模态局域化的mems气体传感器的制备方法，用于制备如权利要求1至5任一项所述的基于模态局域化的mems气体传感器，其特征在于，包括步骤：

7.根据权利要求6所述的基于模态局域化的mems气体传感器的制备方法，其特征在于，还包括步骤：

8.根据权利要求6所述的基于模态局域化的mems气体传感器的制备方法，其特征在于，所述采用喷墨打印工艺向频率值较高的谐振器的上表面喷射碳纳米管墨水的步骤包括：

9.根据权利要求6所述的基于模态局域化的mems气体传感器的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管墨水为单壁碳纳米管分散液、多壁碳纳米管分散液或功能化碳纳米管分散液中的一种，所述碳纳米管墨水的质量浓度为0.1-0.5mg/ml；

10.根据权利要求6所述的基于模态局域化的mems气体传感器的制备方法，其特征在于，所述预设匹配区间为所述第一谐振器与所述第二谐振器的固有频率失配率不大于0.1%。