湖南大学制备超高频超灵敏MEMS传感器实现微质量超灵敏探测

近日，湖南大学机械与运载工程学院微纳制造与微系统技术研究团队提出了一种基于电极质量负载超灵敏的声表面波敏感机制，并采用新型电子束纳米加工艺、结合自主推导的专用邻近效应修正公式，制备了超高频超灵敏的声表面波MEMS传感器，实现微质量超灵敏探测和TNT爆炸物的低浓度检测。

该研究团队开发了超高频声表面波叉指电极的创新微纳加工工艺，推导了专用的电子束邻近效应修正公式，结合先进工艺及剂量修正公式，实现了线宽为35 nm、波长为160 nm的密集、超细长声表面波叉指换能器，在低声速的铌酸锂衬底材料上获得了谐振频率高达30 GHz的超高频声表面波器件，打破了目前该类器件工作频率的世界纪录，为超高频滤波器、超灵敏传感器、超高精度微流体执行器的开发奠定了工艺基础，相关成果发表在应用物理及器件物理领域国际顶尖期刊Applied Physics Letters上（https://doi.org/10.1063/1.5142673）。

图1 超高频声表面波换能器的典型电子显微镜图

基于上述超高频器件，该研究团队提出了基于声表面波电极质量负载效应的全新敏感机制，实验上展示了14.84 pg的微质量探测，其质量敏感灵敏度高达6.351 x 10⁶ MHz/μg，比传统声波传播区域的敏感机制灵敏度高近1000倍，是传统QCM质量传感器的10¹¹倍，并成功实现了浓度为4.4 x 10⁻⁹ M的 TNT爆炸物探测，相关成果发表在传感器领域的国际顶尖期刊ACS Sensors上（https://doi.org/10.1021/acssensors.0c00259）。

图2 基于超高频声表面波器件电极质量负载效应的微质量探测和TNT超灵敏检测

该研究得到了国家自然科学基金、湖南省重点研发计划等项目的资助，并得到汽车电子与控制技术教育部工程研究中心、国家先进轨道交通装备创新中心等机构的支持。