西浦团队研制新型微纳气体传感器 助力空气污染监测

从公共场所的烟雾报警装置、新房装修后的甲醛检测仪，到危险工业废气的预警系统，离不开背后的核心器件——气体传感器。近日，西交利物浦大学与中科院苏州纳米研究所合作研发出一种新型的气体传感器大规模制备方案，有望突破制约气体传感器实际应用的瓶颈问题如均一性差、稳定性低等，推动半导体型气体传感器向批量化、低成本生产更迈进一步。

“对于气体传感器读出的数值，我们希望可视化结果是一致的、真实的。但市面上常见的气体传感器，在应用之前需要大量的前期测试以筛选出气敏响应性能一致的气体传感器，避免在相同测试环境下传感器之间的测试数据偏差较大，最终对用户来说结果也还是不太可信。我们希望通过前期制备工艺的改进，为解决这一问题提供一种有价值的思路和方案。”西交利物浦大学健康与环境科学系的秦素洁博士（下图中）表示。

秦素洁博士长期从事有机污染物和污染气体检测方面的研究。其关于半导体气体传感器的研究项目与中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张珽研究员合作完成，团队成员包括西交利物浦大学博士毕业生刘林（上图右）、本科毕业生王颖异（上图左）等。该项目的阶段性研究成果于今年5月发表于Nature子刊《Microsystems & Nanoengineering》。该期刊属于中科院SCI期刊分区一区期刊，在微系统与纳米工程领域具有广泛影响。

论文第一作者、刘林博士介绍道，电阻型半导体气体传感器所使用的敏感材料，是具有气体敏感性的金属氧化物。“当前主流的工艺是将粉体的气敏材料，加入有机粘结剂后混成浆料，涂覆在传感芯片之上，称为‘涂布法’。这类技术很难解决敏感材料与衬底之间的结合力弱、材料均匀性差的问题。比如说，材料涂上去后，会担心脱落；敏感材料在涂布过程中容易团聚。”

“我们创新性地将微机电系统（MEMS）制造技术，与纳米敏感材料的图案化、低成本‘原位生长’技术相结合，实现了在传感器芯片阵列的特定区域制备出形状和尺寸一致、性质均一的金属氧化物纳米阵列敏感材料，能够避免敏感材料的团聚现象，同时敏感材料与芯片衬底之间的结合力得到了显著改善。”刘林博士说。

原位生长技术是一种可以通过调控实验的参数如反应温度、反应时间等制备具有不同形貌、尺寸、气敏响应性能的敏感材料的化学方法。团队此前已有相关工作成果发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

刘林博士解释道，“微机电系统技术是在硅片衬底上‘自上而下’地一层层做结构，制造微型气体传感器芯片，每个芯片大小为1.2mm*1.2mm；而图案化原位生长技术是用化学的方法，‘自下而上’地让敏感材料长在传感器的中心区域，慢慢长成三维阵列。”

“相较于传统的涂布法，由于材料是原位生长上去的，因此结合力、附着力会大大提升，提升了器件的稳定性。同时原位生长法可以通过改变实验条件，调控材料的形貌、尺寸，避免材料的团聚，有利于制备气敏性能均一的气体传感器。”

为确保传感器性能的均一性，需要实现材料的图案化生长、保持每个图案的高度一致性。“我们利用光刻技术在2寸的传感器芯片晶圆上（包含1000多个传感器芯片）制备了感光干膜点阵模板，诱导并组装一层具有微孔图案的热塑性弹性体薄膜，微孔直径约为607微米，在微孔中原位生长敏感材料阵列，得到一致性的、图案化的材料。”

“该方案简单、成本低，具有大规模制备的可能性。”刘林博士说。

论文通讯作者秦素洁博士表示，该项目最大的突破点在于有望推动半导体气体传感器的高通量、大批量生产，降低成本。目前团队已为制备方案申请专利，后期将通过与产业界的进一步合作，在更大范围内验证其可行性。

“空气传感器在实际应用中需要面对复杂的环境，在下一阶段的研究工作中，我们将在提升器件均一性、稳定性以及降低成本的基础上，研究并消除或规避各种环境因素如环境湿度问题等对器件性能的影响。”秦素洁博士说。

团队成员王颖异举例道：“在实验室里做测试是在干空气条件下。当环境中的湿度高，水分子会吸附在材料的表面，影响传感器的灵敏度，跟干空气条件下测出来的结果不同；并且环境中的湿度是动态变化的，因此会导致传感器的测试数据失真。为规避这个问题，在不影响敏感材料的气体响应性能的条件下，我们计划在气体敏感材料的表面，修饰一层多孔疏水性材料。”

“各种环境因素是如何影响传感器工作的，往往具有不可预期性。我们需要找到关键性的影响因素去研究，在实验室里找出它的机理、找到解决办法，在器件的制备方案中把它整合进去。”秦素洁博士总结道。

“实现从实验室到应用市场的真正跨越，这是我们下一阶段的探索方向。”秦博士说。

（记者：石露芸 摄影：褚尧 张玮倩）