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(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際應(yīng)用的瓶頸問題如均一性差、穩(wěn)定性低等，推動半導(dǎo)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。”西交利物浦大學(xué)健康與環(huán)境科學(xué)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(guān)于半導(dǎo)體氣體傳感器的研究項目與中科院蘇州納米技術(shù)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(xué)博士畢業(yè)生劉林（上圖右）、本科畢業(yè)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(fā)表于Nature子刊《Microsystems & Nanoengineering》。該期刊屬于中科院SCI期刊分區(qū)一區(qū)期刊，在微系統(tǒng)與納米工程領(lǐng)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(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?！爱斍爸髁鞯墓に囀菍⒎垠w的氣敏材料，加入有機粘結(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(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?！眲⒘植┦空f。

　　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(xué)方法。團隊此前已有相關(guān)工作成果發(fā)表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

　　劉林博士解釋道，“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(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?！?/p>

　　“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。”

　　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(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?！?/p>

　　“該方案簡單、成本低，具有大規(guī)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，該項目最大的突破點在于有望推動半導(dǎo)體氣體傳感器的高通量、大批量生產(chǎn)，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(chǎn)業(yè)界的進一步合作，在更大范圍內(nèi)驗證其可行性。

　　“空氣傳感器在實際應(yīng)用中需要面對復(fù)雜的環(huán)境，在下一階段的研究工作中，我們將在提升器件均一性、穩(wěn)定性以及降低成本的基礎(chǔ)上，研究并消除或規(guī)避各種環(huán)境因素如環(huán)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(huán)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(jié)果不同；并且環(huán)境中的濕度是動態(tài)變化的，因此會導(dǎo)致傳感器的測試數(shù)據(jù)失真。為規(guī)避這個問題，在不影響敏感材料的氣體響應(yīng)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(huán)境因素是如何影響傳感器工作的，往往具有不可預(yù)期性。我們需要找到關(guān)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?！鼻厮貪嵅┦靠偨Y(jié)道。

　　“實現(xiàn)從實驗室到應(yīng)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）