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《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體（MOS）類型的傳感器，因其高靈敏度、快速響應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備。

本研究探索了氣體傳感器技術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，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用場景，在這些場景中電池續(xù)航是一個關鍵考量因素。

研究結(jié)果還顯示，由于微加熱器的快速熱響應，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。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域的一項重大進展。通過將創(chuàng)新設計與脈沖驅(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進步方面的變革潛力，尤其是在應對環(huán)境監(jiān)測和安全領域?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備和物聯(lián)網(wǎng)設備中開辟了新的可能性，為未來能效至關重要的發(fā)展奠定了堅實基礎。

期刊參考文獻