光纤MEMS氢气传感器的设计与实现

作者：杨超月

撰稿 | 熊聪、廖常锐
在过去的几十年里，微机电系统（MEMS）技术广泛推动了世界科技的进步。微悬臂梁作为一种灵敏的 MEMS 器件，被广泛应用于原子力显微镜（AFM）探针和其他检测技术，可实现无标记的局部和特异性检测。受限于信号解调方法，微悬臂梁系统仍存在微型化、集成化和高通量检测等诸多挑战，因此开发新一代微悬臂梁传感器技术迫在眉睫。
近日，深圳大学 王义平 教授团队的 廖常锐 等人以“Design and realization of 3D printed fiber-tip microcantilever probes applied to hydrogen sensing”为题在 Light: Advanced Manufacturing 上发表最新研究成果。
该团队基于结构力学原理研发了多种结构类型的光纤端面微悬臂梁传感器，并对微梁表面进行镀钯氢敏改性后，实现了快速和高灵敏的氢气检测。
研究人员采用飞秒激光诱导的双光子聚合（TPP）在光纤端面 3D 打印出多种结构类型的微悬臂梁探针，并利用磁控溅射镀膜技术在微梁表面修饰了氢敏钯膜。这种探针式的光纤氢气传感器可快速和高灵敏地检测环境中氢气浓度，其灵敏度高达 3.75 nm/%, 响应时间仅为 5.3 s，并且湿度交叉灵敏度较低，特别适用于氢气呼吸治疗中的氢气浓度监测。

图 1：TPP 打印的光纤端面微悬臂梁扫描电镜图（SEM）。Scale bar: 30 μm

目前的微悬臂梁检测系统中，微梁通常采用某种微加工技术制造，然后通过手动安装和精密对准实现系统构建，这种方法导致了系统冗余，校准费时且误差较大。将微悬臂梁集成制造到光纤端面，为研发新型微梁传感器技术提供了新思路。光纤可以同时作为微梁的支撑基底和检测光信号的传输媒介，基于光纤的干涉信号可以精确检测微梁的纳米级形变，极大简化了信号解调技术，实现了微梁传感器的微型化和集成化。
光纤型微悬臂梁传感器有多种实现方法：
（1）在光纤端面组装商用微悬臂梁探针，该方法可选用多种形状和材质的微梁探针，但微梁需要手动精密对准光纤端面并用粘合剂固定，限制了其可靠性和稳定性。
（2）利用超短脉冲激光或者聚焦离子束刻蚀加工光纤端面微悬臂梁，但激光刻蚀的微梁表面粗糙且厚度较大；聚焦离子束刻蚀的微梁表面光滑且厚度薄，但加工效率极低。
近些年兴起的飞秒激光双光子聚合 3D 打印技术在材料、结构和精度等方面兼具优势，已经逐渐在 MEMS 领域展现出极大的应用潜力。
传感器制备与表征
研究人员设计出实心矩形、空心矩形和三角形的微悬臂梁结构，利用有限元仿真研究了不同形状微梁的应力响应特性（图 1a），发现空心矩形微梁的灵敏度最高，三角形微梁次之，实心矩形微梁最低；相同尺寸条件下，随着空心矩形的镂空面积增加，微梁灵敏度会相应提高。光纤端面微梁的测试光谱与设计光谱一致，其中实心矩形和空心矩形微梁的光谱条纹对比度优于三角形微梁，这是因为矩形微梁遮挡纤芯的面积大于三角形微梁，更多的光能被微梁反射回到纤芯参与干涉。

图 2：a 三种形状微悬臂梁的应力响应仿真结果；b 三种形状光纤端面微悬臂梁的实测干涉光谱

氢气传感应用
研究人员利用镀钯氢敏改性的微悬臂梁对环境氢气浓度进行了传感测试（图 3a），随着氢气浓度增加，干涉光谱发生蓝移，表明法珀干涉腔长减小，微梁向光纤端面方向弯曲。
图 3b 比较了具有相同厚度（60 nm）钯膜的三种微悬臂梁传感器的灵敏度，在相同氢气条件下，空心矩形微梁的光谱漂移最为显著，在 4% (v/v)时约为 15 nm。
图 3c 是氢气浓度多轮循环测试的结果，干涉光谱可以稳定地跟踪氢气浓度的变化，表明传感器具有良好的重复性。氢气传感通常对时间响应有苛刻要求，该工作研究了传感器在不同氢气浓度条件下的时间响应。当传感器接触到氢气，反射光强发生变化，直到钯-氢体系达到平衡，当恢复到纯氮气条件下，反射光强又恢复到初始状态。
图 3d 为从氮气转换到 4% (v/v)氢气浓度时传感器的响应时间为 5.3 s，其响应时间与环境氢气浓度成反比。