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(kāi)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)用的瓶頸問(wèn)題如均一性差、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(jiàn)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(lái)說(shuō)結(jié)果也還是不太可信。我們希望通過(guò)前期制備工藝的改進(jìn)，為解決這一問(wèn)題提供一種有價(jià)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(zhǎng)期從事有機(jī)污染物和污染氣體檢測(cè)方面的研究。其關(guān)于半導(dǎo)體氣體傳感器的研究項(xiàng)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)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?dāng)前主流的工藝是將粉體的氣敏材料，加入有機(jī)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(wèn)題。比如說(shuō)，材料涂上去后，會(huì)擔(dān)心脫落；敏感材料在涂布過(guò)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(zhǎng)’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植┦空f(shuō)。
原位生長(zhǎng)技術(shù)是一種可以通過(guò)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。團(tuán)隊(duì)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(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(zhǎng)技術(shù)是用化學(xué)的方法，‘自下而上’地讓敏感材料長(zhǎng)在傳感器的中心區(qū)域，慢慢長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)法可以通過(guò)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(zhǎng)、保持每個(gè)圖案的高度一致性。“我們利用光刻技術(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(zhǎng)敏感材料陣列，得到一致性的、圖案化的材料?！?/p>
“該方案簡(jiǎn)單、成本低，具有大規(guī)模制備的可能性?！眲⒘植┦空f(shuō)。
論文通訊作者秦素潔博士表示，該項(xiàng)目最大的突破點(diǎn)在于有望推動(dòng)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(tuán)隊(duì)已為制備方案申請(qǐng)專利，后期將通過(guò)與產(chǎn)業(yè)界的進(jìn)一步合作，在更大范圍內(nèi)驗(yàn)證其可行性。
“空氣傳感器在實(shí)際應(yīng)用中需要面對(duì)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(wèn)題等對(duì)器件性能的影響。”秦素潔博士說(shuō)。
團(tuán)隊(duì)成員王穎異舉例道：“在實(shí)驗(yàn)室里做測(cè)試是在干空氣條件下。當(dāng)環(huán)境中的濕度高，水分子會(huì)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(cè)出來(lái)的結(jié)果不同；并且環(huán)境中的濕度是動(dòng)態(tài)變化的，因此會(huì)導(dǎo)致傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)失真。為規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，在不影響敏感材料的氣體響應(yīng)性能的條件下，我們計(jì)劃在氣體敏感材料的表面，修飾一層多孔疏水性材料?！?/p>
“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(shí)驗(yàn)室里找出它的機(jī)理、找到解決辦法，在器件的制備方案中把它整合進(jìn)去?！鼻厮貪嵅┦靠偨Y(jié)道。
“實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用市場(chǎng)的真正跨越，這是我們下一階段的探索方向?！鼻夭┦空f(shuō)。（通訊員：石露蕓 褚堯 張瑋倩）
