韩国研发可重复使用声波颗粒物传感芯片

空气污染监测领域长期面临一道难题：传统精密仪器体积庞大、造价高昂，且在颗粒物积累后难以持续复用。近日，韩国亚州大学（Ajou University）研究团队在国际期刊《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）上发表了一项突破性成果，报道了一种可重复使用的表面声波（SAW）颗粒物传感器系统，有望为小型化、低成本空气质量监测铺平道路。该论文于2026年3月24日正式发表，数字对象标识符（DOI）为10.1038/s4-5。

细颗粒物的监测之所以困难重重，在于粒径直接决定了颗粒在空气中的悬浮时长以及其在人体呼吸系统中的穿透深度。PM2.5因与多种健康损害密切相关，尤为引人关注。现有检测手段——包括β射线吸收法、重量法和光散射法——各有千秋，但也各有掣肘：系统体积、成本、湿度敏感性或特定工况下的可靠性，往往难以兼顾。早期基于表面声波原理的颗粒物传感器灵敏度较高，但多依赖一次性颗粒附着，缺乏实用的可重复使用格式，且粒径选择性不足。

双通道声波传感结构实现PM10与PM2.5同步检测

此次发表的研究来自亚州大学电气与计算机工程系及智能半导体工程系的联合团队，该校位于韩国水原市。研究人员将两路声学传感通道、多孔微结构膜与片上微加热器集成于同一芯片，实现了颗粒物的实时测量与传感面的自动恢复。这也是国际上首次将多孔微结构膜（用于粒径分离）与片上微加热器（用于颗粒脱附）同时集成于表面声波颗粒物传感器的报道。

在结构设计上，该系统采用两块孔径各异的多孔过滤膜：PM10通道对应孔径约11微米的膜，PM2.5通道对应孔径约3微米的膜。这两块膜分别置于两端口表面声波谐振传感器上方，谐振器工作中心频率为222 MHz，衬底采用128° YX铌酸锂（LiNbO₃）。仿真与实验结果均表明，11微米孔径膜允许大小颗粒同时通过，而3微米孔径膜则对细颗粒具有优先通透性，从而在两个通道间实现粒径的差异化筛选。

在灵敏度测试中，PM2.5传感通道对PM2.5颗粒的响应灵敏度达到0.11 kHz/（μg/m³），PM10通道对PM2.5的响应为0.246 kHz/（μg/m³）；经过差分校准后，PM10通道对2.5至10微米粒径段颗粒的灵敏度为0.218 kHz/（μg/m³），可有效区分两个粒径段的贡献。

微加热器驱动热脱附，传感器连续使用五天性能稳健

该系统Zui具亮点的创新在于其片上微加热器辅助恢复机制。当颗粒物在传感面积累、导致信号偏移后，微加热器以12伏电压驱动，将器件表面温度升至约100摄氏度，在真空条件下使已捕获颗粒发生热脱附，传感面随即恢复至基线状态。连续五天的耐久性测试表明：PM10通道的相对响应保留率始终高于90%，PM2.5通道亦维持在80%以上，展示出良好的重复使用潜力。

从更宏观的视角看，这一设计的意义在于将粒径选择性过滤与传感面热恢复双双集成于同一芯片之内。传统颗粒物检测装置往往依赖外置旋风分离器或撞击器等体积较大的预分级部件，而该芯片级方案有望将这些功能压缩至单一平台，为便携式、连续式空气质量监测仪的进一步小型化创造条件。

中文期刊背景：《微系统与纳米工程》中科院联合出版

值得一提的是，《微系统与纳米工程》是由施普林格·自然（Springer Nature）与中国科学院空天信息创新研究院联合出版的国际开放获取期刊，并获中科院传感技术国家重点实验室支持，在微纳机电系统领域具有较高学术声誉。此次成果刊发于该期刊，亦体现了国际学界对这一研究方向的高度认可。

对于国内从事环境传感、MEMS器件及空气质量监测设备研发的企业与机构而言，上述芯片级集成方案提供了清晰的技术路径参考：将粒径分离、声学感知与热恢复整合于单一平台，不仅可降低系统复杂度，还能显著提升现场长期部署的可靠性。随着国内低成本、高精度大气颗粒物监测需求持续增长，探索类似的片上集成路线，或将成为下一代传感产品差异化竞争的关键所在。