西浦大學研發(fā)新型微納氣體傳感器，有望突破實際應(yīng)用瓶頸

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(yè)廢氣的預(yù)警系統(tǒng)，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(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際應(yīng)用的瓶頸，如均一性差、穩(wěn)定性低等，推動半導體型氣體傳感器向批量化、低成本生產(chǎn)更邁進一步。

“對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，避免在相同測試環(huán)境下傳感器之間的測試數(shù)據(jù)偏差較大，最終對用戶來說結(jié)果也還是不太可信。我們希望通過前期制備工藝的改進，為解決這一問題提供一種有價值的思路和方案?！眻F隊負責人之一、西交利物浦大學健康與環(huán)境科學系秦素潔博士表示。

團隊成員劉林博士介紹道，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?！爱斍爸髁鞯墓に囀菍⒎垠w的氣敏材料，加入有機黏結(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，會擔心脫落;敏感材料在涂布過程中容易團聚。”

“我們創(chuàng)新性地將微機電系統(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聚現(xiàn)象，同時敏感材料與芯片襯底之間的結(jié)合力得到了顯著改善。”劉林說。

據(jù)了解，原位生長技術(shù)是一種可以通過調(diào)控實驗的參數(shù)如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時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方法。劉林解釋：“微機電系統(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，每個芯片大小為1.2mm×1.2mm;而圖案化原位生長技術(shù)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(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、附著力會大大提升，提升了器件的穩(wěn)定性。同時原位生長法可以通過改變實驗條件，調(diào)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?！?/p>

為確保傳感器性能的均一性，需要實現(xiàn)材料的圖案化生長、保持每個圖案的高度一致性?！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?！? 秦素潔說，該方案簡單、成本低，具有大規(guī)模制備的可能性。