《傳感器》雜志上近期的一篇文章介紹了一種新穎的微機電系統(tǒng)（MEMS）氣體傳感器，該傳感器旨在高效檢測二氧化氮（NO₂）。它基于分級氧化銦（In₂O₃）結(jié)構(gòu)構(gòu)建，將超低功耗與卓越的靈敏度相結(jié)合，代表著氣體傳感技術(shù)向前邁出了重要的一步。

研究：《基于分級氧化銦（In₂O₃）納米結(jié)構(gòu)的脈沖驅(qū)動微機電系統(tǒng)二氧化氮傳感器用于靈敏且超低功耗檢測》。圖片來源：curraheeshutter/Shutterstock.com

背景

氣體傳感器，尤其是金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）類型的傳感器，因其高靈敏度、快速響應(yīng)時間以及成本效益而備受青睞。然而，一個主要的缺點是它們需要較高的工作溫度（通常在 100℃到 450℃之間）才能實現(xiàn)最佳性能。這種高溫要求極大地增加了能耗，使得這些傳感器不太適用于便攜式和可穿戴設(shè)備。

本研究探索了氣體傳感器技術(shù)旨在解決這些能耗限制方面的進展。研究強調(diào)了傳感器材料和結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新（比如由氧化銦制成的分級納米結(jié)構(gòu)）如何有可能改變傳感器的性能。這些納米結(jié)構(gòu)通過改善與目標氣體分子的相互作用來增強氣體傳感能力，從而實現(xiàn)更高的靈敏度、更快的響應(yīng)時間以及更低的功耗。

研究概述

該研究采用了一套系統(tǒng)的流程來合成分級氧化銦材料，將其作為微機電系統(tǒng)氣體傳感器的傳感層。合成過程首先是制備含有氯化銦和十二烷基磺酸鈉的混合溶液，并加入尿素作為沉淀劑。該溶液在 120℃下進行 9 小時的水熱反應(yīng)，生成氧化銦前體。

冷卻后，對前體進行離心、沖洗，并在 500℃下煅燒，從而制得黃色的氧化銦粉末。然后將粉末與乙醇和去離子水混合，形成均勻的糊狀物，再將其涂覆到微機電系統(tǒng)微熱板（MHP）芯片上。配備有加熱電極的微熱板芯片對傳感器的運行起著至關(guān)重要的作用。為確保穩(wěn)定性，涂覆后的傳感器在進行氣體傳感測量之前，要先在 300℃下干燥并老化 24 小時。

實驗設(shè)置包含兩種加熱模式：連續(xù)加熱和脈沖加熱。在連續(xù)加熱模式下，傳感器在恒定電壓下預(yù)熱 72 小時以穩(wěn)定其性能，隨后對濃度范圍從 100 ppb 到 4 ppm 的二氧化氮進行測試。在脈沖加熱模式下，改變諸如持續(xù)時間和等待時間等加熱參數(shù)，以研究它們對熱響應(yīng)和傳感器性能的影響。這種方法旨在為精確且節(jié)能的二氧化氮檢測優(yōu)化條件。

結(jié)果與討論

研究表明，基于分級氧化銦的微機電系統(tǒng)氣體傳感器在檢測二氧化氮方面優(yōu)于傳統(tǒng)氣體傳感器，尤其在靈敏度和能效方面表現(xiàn)突出。脈沖驅(qū)動加熱模式被證明是一個重大突破，它將功耗降低至僅 0.075 毫瓦，大約是連續(xù)加熱模式（22.5 毫瓦）所需能量的 1/300。這一顯著的功耗降低使得該傳感器非常適用于便攜式和可穿戴應(yīng)用場景，在這些場景中電池續(xù)航是一個關(guān)鍵考量因素。

研究結(jié)果還顯示，由于微加熱器的快速熱響應(yīng)，傳感器在脈沖模式下的靈敏度有所提高。作者將這一改進歸因于二氧化氮分子與分級氧化銦結(jié)構(gòu)之間的相互作用，這種相互作用促進了負氧物種的形成，從而增強了傳感器的響應(yīng)。令人印象深刻的是，該傳感器能夠檢測到低至 100 ppb 的二氧化氮濃度，凸顯了其在各種環(huán)境下進行實時監(jiān)測的潛力。

結(jié)論

總之，本文通過研發(fā)基于分級氧化銦的微機電系統(tǒng)二氧化氮傳感器，展示了氣體傳感器領(lǐng)域的一項重大進展。通過將創(chuàng)新設(shè)計與脈沖驅(qū)動加熱機制相結(jié)合，該傳感器在顯著降低功耗的同時實現(xiàn)了靈敏度的提升。這些特性使其成為既需要高效能又需要便攜性的現(xiàn)代應(yīng)用的理想解決方案。

這項研究凸顯了分級納米結(jié)構(gòu)在推動氣體傳感技術(shù)進步方面的變革潛力，尤其是在應(yīng)對環(huán)境監(jiān)測和安全領(lǐng)域?qū)Φ湍芎慕鉀Q方案日益增長的需求方面。這些研究發(fā)現(xiàn)為將這些傳感器集成到可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中開辟了新的可能性，為未來能效至關(guān)重要的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

期刊參考文獻