【儀表網 儀表研發】從公共場所的煙霧報警裝置、新房裝修后的甲醛檢測儀，到危險工業廢氣的預警系統，離不開背后的核心器件——氣體傳感器。近日，西交利物浦大學與中科院蘇州納米研究所合作研發出一種新型的氣體傳感器大規模制備方案，有望突破制約氣體傳感器實際應用的瓶頸問題如均一性差、穩定性低等，推動半導體型氣體傳感器向批量化、低成本生產更邁進一步。
“對于氣體傳感器讀出的數值，我們希望可視化結果是一致的、真實的。但市面上常見的氣體傳感器，在應用之前需要大量的前期測試以篩選出氣敏響應性能一致的氣體傳感器，避免在相同測試環境下傳感器之間的測試數據偏差較大，終對用戶來說結果也還是不太可信。我們希望通過前期制備工藝的改進，為解決這一問題提供一種有價值的思路和方案。”西交利物浦大學健康與環境科學系的秦素潔博士(下圖中)表示。
秦素潔博士長期從事有機污染物和污染氣體檢測方面的研究。其關于半導體氣體傳感器的研究項目與中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所的張珽研究員合作完成，團隊成員包括西交利物浦大學博士畢業生劉林(上圖右)、本科畢業生王穎異(上圖左)等。該項目的階段性研究成果于今年5月發表于Nature子刊《Microsystems & Nanoengineering》。該期刊屬于中科院SCI期刊分區一區期刊，在微系統與納米工程領域具有廣泛影響。
論文第一作者、劉林博士介紹道，電阻型半導體氣體傳感器所使用的敏感材料，是具有氣體敏感性的金屬氧化物。“當前主流的工藝是將粉體的氣敏材料，加入有機粘結劑后混成漿料，涂覆在傳感芯片之上，稱為‘涂布法’。這類技術很難解決敏感材料與襯底之間的結合力弱、材料均勻性差的問題。比如說，材料涂上去后，會擔心脫落；敏感材料在涂布過程中容易團聚。”
“我們創新性地將微機電系統(MEMS)制造技術，與納米敏感材料的圖案化、低成本‘原位生長’技術相結合，實現了在傳感器芯片陣列的特定區域制備出形狀和尺寸一致、性質均一的金屬氧化物納米陣列敏感材料，能夠避免敏感材料的團聚現象，同時敏感材料與芯片襯底之間的結合力得到了顯著改善。”劉林博士說。
原位生長技術是一種可以通過調控實驗的參數如反應溫度、反應時間等制備具有不同形貌、尺寸、氣敏響應性能的敏感材料的化學方法。團隊此前已有相關工作成果發表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。
劉林博士解釋道，“微機電系統技術是在硅片襯底上‘自上而下’地一層層做結構，制造微型氣體傳感器芯片，每個芯片大小為1.2mm*1.2mm；而圖案化原位生長技術是用化學的方法，‘自下而上’地讓敏感材料長在傳感器的中心區域，慢慢長成三維陣列。”
“相較于傳統的涂布法，由于材料是原位生長上去的，因此結合力、附著力會大大提升，提升了器件的穩定性。同時原位生長法可以通過改變實驗條件，調控材料的形貌、尺寸，避免材料的團聚，有利于制備氣敏性能均一的氣體傳感器。”
為確保傳感器性能的均一性，需要實現材料的圖案化生長、保持每個圖案的高度一致性。“我們利用光刻技術在2寸的傳感器芯片晶圓上(包含1000多個傳感器芯片)制備了感光干膜點陣模板，誘導并組裝一層具有微孔圖案的熱塑性彈性體薄膜，微孔直徑約為607微米，在微孔中原位生長敏感材料陣列，得到一致性的、圖案化的材料。”
“該方案簡單、成本低，具有大規模制備的可能性。”劉林博士說。
論文通訊作者秦素潔博士表示，該項目大的突破點在于有望推動半導體氣體傳感器的高通量、大批量生產，降低成本。目前團隊已為制備方案申請專利，后期將通過與產業界的進一步合作，在更大范圍內驗證其可行性。
“空氣傳感器在實際應用中需要面對復雜的環境，在下一階段的研究工作中，我們將在提升器件均一性、穩定性以及降低成本的基礎上，研究并消除或規避各種環境因素如環境濕度問題等對器件性能的影響。”秦素潔博士說。
團隊成員王穎異舉例道：“在實驗室里做測試是在干空氣條件下。當環境中的濕度高，水分子會吸附在材料的表面，影響傳感器的靈敏度，跟干空氣條件下測出來的結果不同；并且環境中的濕度是動態變化的，因此會導致傳感器的測試數據失真。為規避這個問題，在不影響敏感材料的氣體響應性能的條件下，我們計劃在氣體敏感材料的表面，修飾一層多孔疏水性材料。”
“各種環境因素是如何影響傳感器工作的，往往具有不可預期性。我們需要找到關鍵性的影響因素去研究，在實驗室里找出它的機理、找到解決辦法，在器件的制備方案中把它整合進去。”秦素潔博士總結道。
“實現從實驗室到應用市場的真正跨越，這是我們下一階段的探索方向。”秦博士說。(通訊員：石露蕓 褚堯 張瑋倩)
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