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Design and Test of a High-Sensitivity MEMS Capacitive Resonator for Photoacoustic Gas Detection

电容感应 微电子机械系统 谐振器 生物医学中的光声成像 灵敏度(控制系统) 材料科学 光电子学 光声光谱学 电子工程 声学 光学 电气工程 工程类 物理
作者
Yonggang Yin,Danyang Ren,Yuqi Wang,D. Gao,Junhui Shi
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-1
标识
DOI:10.1109/jsen.2024.3366520
摘要

This paper presents the design, fabrication, and test of a high-sensitivity micro-electrical-mechanical system (MEMS) capacitive resonator specifically designed for photoacoustic gas detection. The sensor employs area-variable capacitive detection by surrounding the silicon resonator with dense comb teeth. To mitigate the effects of gas damping on the resonator motion, the gap between the movable structure and the substrate was increased to 260 μm. This approach effectively resolves the capacitance detection sensitivity and motion damping trade-off typically encountered in acoustic detection. Under the excitation of sound waves, the resonator demonstrated a maximum sensitivity of 3749 mV/Pa at its resonant frequency of 1870 Hz when subjected to a bias voltage of 15 V. The equivalent noise exhibited a peak value of 7.9 μPa/Hz 1/2 . Subsequently, the resonator was integrated into a carbon dioxide gas detection system based on photoacoustic spectroscopy. A sensitive measurement of gas concentrations was performed successfully. The minimum detection limit estimated by noise equivalent concentration was determined to be 0.58 ppb at an average time of 49 s. The normalized noise equivalent absorption was calculated to be 8.45×10 -9 cm -1 WHz -1/2 . The experimental results demonstrate exceptional performance among photoacoustic gas detection systems utilizing capacitive sensors.
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