中科院成功实现高性能电阻型薄膜气敏器件

近期，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所与中科院上海微系统研究所的相关课题组合作，提出将微/纳结构有序多孔薄膜与基于微电子机械加工（MEMS）技术的微型基板相结合的思路，成功地实现了高性能电阻型薄膜气敏器件。这种新型器件响应速度快、功耗小、结构稳定、制作重复性好，并且显示出了大批量规模化生产的潜力，具有实用推广价值。

氧化物（半导体）电阻型薄膜气体传感器，由于其成本低廉、制作简单、使用方便及兼容性好等优点，在许多领域有着广泛的应用。然而，由于自身结构与原理所限，其响应速度慢、灵敏度低、功耗高，一般只能应用于一些中、低端领域，无法用于高端领域。发展用于高端领域的高性能气敏器件，一直是人们所追求的目标与面临的挑战。这里所谓的高性能，是指气体传感器具有高的灵敏度（检测极限达ppb量级）、快的响应（秒量级）与恢复速率、低的功耗（可电池驱动、长期使用）、高的稳定性及良好的选择性等。薄膜的气敏特性，不仅取决于所使用的气敏材料的表面物理、化学特性，而且也与薄膜的厚度、微结构直接相关。由纳米单元构成的氧化物气敏薄膜，由于表面－体积比大，故有更好的气敏性能，近年来已引起较广泛的关注，并有许多研究报道。然而，这些由纳米单元构成的薄膜，大多采用简单的人工刷涂或沉积所制备，器件之间的个体差异性无法避免，薄膜微结构及其均匀性等也无法进行有效控制与调控，进而薄膜的气敏参数难以实现人为控制和按需调整。

针对这些问题，固体所科研人员近年来发展了基于有机模板的微/纳结构有序多孔薄膜的制备技术，并将其引入电阻型薄膜气敏器件的研究，很好地解决了薄膜微结构的可控性、均匀性、一致性、稳定性，以及薄膜气敏器件制作的可重复性等一系列问题，实现了气敏特性的结构增强与按需调控等。相关结果已在《先进材料》（Adv. Mater., 2005, 17, 2872）、《材料化学期刊》（J. Mater. Chem., 2009, 19, 7301）、《美国化学学会纳米》（ACS Nano, 2009, 3, 2697）、《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater., 2010, 20(21), 3765-3773）等发表。然而，总的来说这类薄膜器件的气敏效能（灵敏度、响应速率、功耗等）仍然远未达到高性能的要求。

最近，与中科院上海微系统研究所的相关课题组合作，固体科研人员提出将微/纳结构有序多孔薄膜与基于微电子机械加工（MEMS）技术的微型基板相结合的思路，成功地实现了高性能电阻型薄膜气敏器件。首先，基于微加工技术，设计出一种新型的三明治结构的微型基板（图1A），集成了微型加热器与10微米间距的叉指电极；进而通过所发展的有机胶体模板溶液浸渍－无损转移的薄膜器件构建策略，在微型基板上实现了氧化物微/纳结构有序多孔薄膜的原位合成,构建了新型的气敏器件（图1B）；实验分析表明，氧化物微/纳结构有序多孔薄膜与微型基板两者间具有良好的结构与工艺兼容性（图2）。以氧化锡薄膜对乙醇气敏为例，这种新型器件展现出高性能气敏特性：秒量级的快速响应、十亿分之一量级的检测极限与10毫瓦量级的低功耗（图3）。重要的是，这类器件结构稳定、制作重复性好，并且显示出了大批量规模化生产的潜力，因此具有实用推广价值。

这项工作，将为下一代小型化/集成的高性能气体传感器设计与研制提供了新途径，并为将电阻型薄膜气体传感器的应用领域拓展至高端领域（即：要求快速响应、高灵敏、低功耗等的领域，如公共安全领域的高毒性气体的痕量监测及智能传感网等）提供了近期可实现性。

相关研究结果已于4月17日在《科学报告》（Scientific Reports, 3, 1669, 2013）上发表。

上述研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金重点项目的支持。

图1:基于MEMS技术的微型基板结构示意图（A）与有机胶体模板溶液浸渍－无损转移的薄膜器件构建策略（B）。右侧为对应的实物照片。

图2：基于微型基板的微/纳结构有序多孔薄膜器件照片。（A）：氧化锡单层微/纳结构有序多孔薄膜器件实际照片；（B）: 器件工作区的扫描电镜照片，多孔薄膜在基板与叉指电极的表面上（标尺为20微米）；（C）：对应于（B）图中矩形框区域（跨越电极的区域）的放大图（标尺为500纳米）。

图3：图2所示的器件对乙醇的气敏测量结果（工作温度：350oC）。（A）：3ppm时的响应曲线（响应时间小于1秒）；（B）对不同浓度（100 ppb~500ppb）乙醇的气敏响应曲线（连续测量）；（C）：灵敏度与乙醇气氛浓度关系。