西浦大学研发新型微纳气体传感器，有望突破实际应用瓶颈

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，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。”团队负责人之一、西交利物浦大学健康与环境科学系秦素洁博士表示。

团队成员刘林博士介绍道，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，加入有机黏结剂后混成浆料，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，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。”刘林说。

据了解，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。刘林解释：“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。” 秦素洁说，该方案简单、成本低，具有大规模制备的可能性。