‍一、研究简介

      近日，四川大学机械工程学院王竹卿教授团队通过对上述气体传感器的结构进一步创新，提出了一种由复合功能膜和微悬臂梁组成的桥式谐振器，吸附在膜上的气体分子会在微夹紧梁上产生轴向压应力，通过扩大设计的硅狭缝结构来降低弯曲刚度，同时增加谐振器的有效质量。因此，该传感器的谐振频移大于仅基于质量变化或刚度变化的谐振频移，显示出更高的气体灵敏度。该成果以“A Resonant Gas Sensor with Functional Composite Stress Generator”为题，发表在期刊《IEEE SENSORS JOURNAL》上（影响因子:4.325，川大C区期刊），论文第一作者为四川大学机械工程学院特聘副研究员夏操，通讯作者为四川大学机械工程学院特聘研究员王竹卿。‍

二、研究内容

‍‍图1 谐振气体传感器的原理图设计及功能性复合膜的沉积

     通过在硅栅格中嵌入功能性硅聚合物复合膜，功能复合膜特异性吸附气体分子，并扩散到聚合物中，薄膜因此膨胀而产生应力。在硅栅格结构旁设置一个双端夹紧梁作为桥式谐振器，梁的末端设有一个压阻传感器，能够检测薄膜膨胀的应力。在聚合物沉积前需制备网格硅结构，再通过微观涂层涂抹器，向硅狭缝填充功能聚合物水溶液，当将功能复合聚合物完全填充到悬浮桥结构上的硅狭缝间隙中时，就获得了功能薄膜部件的最佳沉积参数。通过微观涂层器快速精确地控制液滴的沉积时间和距离，精准控制了聚合物的面积和厚度。‍‍

‍‍图2 谐振气体传感器的测量系统原理图

      为了测试评价所制备谐振传感器的性能，设计了一套测量系统。该测量系统主要由三个部分组成：励磁和测量单元、气体输送单元和数据采集单元，通过对湿度和硫化氢的检测，证明了传感器的高灵敏度。‍‍

‍‍‍‍图3 ‍‍有限元仿真与不同湿度下传感器的频率响应

      在进行有限元模型仿真时考虑了狭缝与硅薄膜材料，首先模拟了功能复合膜的稳态吸湿膨胀变形，然后进一步模拟了吸湿膨胀后谐振传感器的振动频率。通过实验得出，所制备的带有硅聚合物复合材料的谐振气体传感器对湿度变化具有快速的瞬时响应。在相对湿度为11.8%、6.1%、1.3%的条件下，谐振频率分别为23347.8 Hz、23534.4 Hz和23621.3 Hz。随着测量室湿度的增加，谐振器的谐振频率成比例逐渐减小。

三、结论与展望

      本工作提出了一种通过单一功能复合膜吸附气体带来的质量变化和膨胀应力双重放大谐振频率改变量的谐振气体传感器，实现了湿度和硫化氢的高灵敏度检测。未来通过对聚合物的有目的性选择，这些传感器可以很容易地应用于其他领域，如食品安全、疾病无创诊断等。

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文献链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9998504/authors#authors

延伸阅读：https://www.x-mol.com/groups/wang_zhuqing

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