西浦大學(xué)研發(fā)新型微納氣體傳感器，有望突破實(shí)際應(yīng)用瓶頸

從公共場(chǎng)所的煙霧報(bào)警裝置、新房裝修后的甲醛檢測(cè)儀，到危險(xiǎn)工業(yè)廢氣的預(yù)警系統(tǒng)，離不開背后的核心器件——?dú)怏w傳感器。近日，西交利物浦大學(xué)與中科院蘇州納米研究所合作研發(fā)出一種新型的氣體傳感器大規(guī)模制備方案，有望突破制約氣體傳感器實(shí)際應(yīng)用的瓶頸，如均一性差、穩(wěn)定性低等，推動(dòng)半導(dǎo)體型氣體傳感器向批量化、低成本生產(chǎn)更邁進(jìn)一步。

“對(duì)于氣體傳感器讀出的數(shù)值，我們希望可視化結(jié)果是一致的、真實(shí)的。但市面上常見的氣體傳感器，在應(yīng)用之前需要大量的前期測(cè)試以篩選出氣敏響應(yīng)性能一致的氣體傳感器，避免在相同測(cè)試環(huán)境下傳感器之間的測(cè)試數(shù)據(jù)偏差較大，最終對(duì)用戶來說結(jié)果也還是不太可信。我們希望通過前期制備工藝的改進(jìn)，為解決這一問題提供一種有價(jià)值的思路和方案。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一、西交利物浦大學(xué)健康與環(huán)境科學(xué)系秦素潔博士表示。

團(tuán)隊(duì)成員劉林博士介紹道，電阻型半導(dǎo)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(dāng)前主流的工藝是將粉體的氣敏材料，加入有機(jī)黏結(jié)劑后混成漿料，涂覆在傳感芯片之上，稱為‘涂布法’。這類技術(shù)很難解決敏感材料與襯底之間的結(jié)合力弱、材料均勻性差的問題。比如，材料涂上去后，會(huì)擔(dān)心脫落;敏感材料在涂布過程中容易團(tuán)聚?！?/p>

“我們創(chuàng)新性地將微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)，與納米敏感材料的圖案化、低成本‘原位生長’技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在傳感器芯片陣列的特定區(qū)域制備出形狀和尺寸一致、性質(zhì)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(tuán)聚現(xiàn)象，同時(shí)敏感材料與芯片襯底之間的結(jié)合力得到了顯著改善?！眲⒘终f。

據(jù)了解，原位生長技術(shù)是一種可以通過調(diào)控實(shí)驗(yàn)的參數(shù)如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等制備具有不同形貌、尺寸、氣敏響應(yīng)性能的敏感材料的化學(xué)方法。劉林解釋：“微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是在硅片襯底上‘自上而下’地一層層做結(jié)構(gòu)，制造微型氣體傳感器芯片，每個(gè)芯片大小為1.2mm×1.2mm;而圖案化原位生長技術(shù)是用化學(xué)的方法，‘自下而上’地讓敏感材料長在傳感器的中心區(qū)域，慢慢長成三維陣列。相較于傳統(tǒng)的涂布法，由于材料是原位生長上去的，因此結(jié)合力、附著力會(huì)大大提升，提升了器件的穩(wěn)定性。同時(shí)原位生長法可以通過改變實(shí)驗(yàn)條件，調(diào)控材料的形貌、尺寸，避免材料的團(tuán)聚，有利于制備氣敏性能均一的氣體傳感器?！?/p>

為確保傳感器性能的均一性，需要實(shí)現(xiàn)材料的圖案化生長、保持每個(gè)圖案的高度一致性?！拔覀兝霉饪碳夹g(shù)在2寸的傳感器芯片晶圓上(包含1000多個(gè)傳感器芯片)制備了感光干膜點(diǎn)陣模板，誘導(dǎo)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。” 秦素潔說，該方案簡(jiǎn)單、成本低，具有大規(guī)模制備的可能性。