高性能氣敏器件的宏量制作及其生化戰劑檢測應用研究獲進展

文章來源：合肥物質科學研究院    發布時間：2015-08-04  

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所微納技術與器件研究室的微納氣體傳感器研究團隊在高性能氣敏器件的宏量制作及其生化戰劑檢測應用研究方面取得了新進展，相關研究成果已發表在國際期刊《化學通訊》和《科學報告》上 。

半導體氧化物電阻型薄膜氣體傳感器，由于其成本低廉、制作簡單及使用方便等優點，在許多領域有著廣泛的應用。而發展用于高端領域的質優價廉的高性能氣敏器件，一直是人們所追求的目標與面臨的挑戰。近年來，固體所研究人員與中科院上海微系統與信息技術研究所的相關課題組合作，針對這些問題，提出了一種微納融合的策略，將基于有機模板的微/納結構有序多孔薄膜與基于微電子機械加工（MEMS）技術的微型基板相結合，成功地研制出高性能電阻型薄膜氣敏器件，獲得了秒級快響應、痕量檢測限與10毫瓦級低功耗等優越的器件性能，相關成果發表在《科學報告》（Sci. Rep. 2013, 3, 1669）上。

微/納米結構器件的實用化，仍然是當前納米科技研究的一大難點，主要原因是制作成本較高。為此，雙方圍繞著制作低成本高性能器件這一目標進行技術攻關，結合兩個研究組在晶圓級MEMS加工工藝和大面積有機模板制作技術的特長，提出了一種新型的晶圓級高性能氣敏器件的制作策略，即采用布滿MEMS基傳感芯片的硅晶圓片作為襯底，基于模板轉移-溶液浸漬法，將晶圓大小的高質量有機模板轉移其上，以期一次獲得大量MEMS基氣敏器件。科研人員進一步在實驗上實現了這一策略（圖1），經一次模板轉移操作，即可獲得數千計的MEMS基高性能氣敏器件，且器件間差異得到了有效控制，制作重復性好，極大地降低了單個氣敏器件的成本，因此極具實用推廣價值。相關結果近期發表在自然出版社的《科學報告》上（Sci. Rep. 2015, 5, 10507）。固體所相關科研人員為論文的共同第一作者以及共同通訊作者。

　　眾所周知，沙林毒氣是一種劇毒神經毒劑，可以通過呼吸道或皮膚黏膜侵入人體，殺傷力極強，其易揮發，靠自然蒸發就可以達到戰斗濃度，一旦散發出來，可以使數公里范圍內的人中毒，甚至死亡。當前，如何快速簡便檢測沙林等神經毒氣是人們亟待解決的問題。基于上述MEMS基高性能氣敏器件，科研人員與解放軍防化學院相關研究組合作，探索了該器件在痕量高毒性生化戰劑（如沙林）檢測方面的應用。科研人員通過對敏感材料表面進行改性，使得沙林氣體在檢測過程中發生了還原-氧化性轉變，如圖2所示。在400攝氏度，沙林表現了本征的還原性氣體特性，而在300攝氏度，其卻展現了反常的氧化性氣體特性。通過比較其他氣體（乙醇、丙酮及沙林模擬機DMMP）響應，只有沙林展現出了這種雙性氣體（Janus gas）特性，成功的實現了對沙林的選擇性檢測，有效區分了沙林和其模擬劑DMMP。該MEMS基器件可檢測到低達6 ppb的沙林毒氣，是目前采用金屬氧化物半導體型氣敏傳感器文獻報道可檢測到的最低濃度。這項工作，為將電阻型薄膜氣體傳感器的應用領域拓展至某些特殊領域提供了近期可實現性。這些特殊領域包括，要求快速響應、高靈敏、低功耗等的領域，如公共安全領域的高毒性氣體的痕量監測及智能傳感網等。相關結果近期發表在英國皇家化學會的《化學通訊》上（Chem. Commun. 2015, 51, 8193-8196）。

圖1. 晶圓級高性能氣敏器件的宏量制作技術方法