“感”传万物 “气”察秋毫

高性能MEMS气体传感器技术及其系统应用

气体传感器作为关键感知技术，已在国家战略领域中被赋予重要使命，是实现绿色转型、安全生产、健康中国、智慧社会等国家目标的底层支撑。半导体气体传感器是气体传感器中的一种，其原理是利用吸附气体在敏感薄膜表面反应引起电阻率变化实现气体传感，因其结构简单、成本低、检测对应广、寿命长等特点，被广泛应用在环境、能源、石化、医疗、工业及国防等各个领域，成为各国高新技术发展方向之一。然而，在复杂探测环境中，半导体气体传感器面临选择性低、功耗高、一致性差等瓶颈问题。微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是 21 世纪的变革性制造技术，已经对物理量感知产生了革命性变化，采用MEMS技术的微结构半导体气体传感器由于具有体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产等优点，不仅推动了气体传感器技术的革新，还对环境监测、医疗健康、工业安全、智能生活等领域产生了革命性影响。

图1 MEMS气体传感器应用领域

图2 MEMS气体传感器结构

我院青年学者刘波课题组聚焦工业园区VOCs污染监测、深海溶解气探测等国家/地方重大应用需求，重点开展高灵敏、高选择性、快响应MEMS气体传感器研发，围绕高性能MEMS传感器芯片，开发高集成度、小型化气体在线监测系统，实现应用推广，主要取得了以下成果：

1）课题组在安徽省重点研发计划项目（2022107020024）支持下，针对当前工业园区VOCs监测与预警技术存在的监测范围窄、溯源难、耗时长、效率低以及人工危险系数高等难题，以七种典型VOCs气体（苯、1，3-丁二烯、甲苯、苯乙烯、甲硫醚、二甲基二硫醚、二硫化碳）为检测目标，首先开发出7种高灵敏、快响应、高特异性识别的纳米敏感薄膜；其次，基于MEMS微型加热板，研制出微型化、低功耗、高稳定性MEMS气体传感器；之后，采用模块化设计方案，集成气体进样系统、MEMS气体传感器阵列模块、信号采集与处理电路、LCD屏幕显示等，开发出基于MEMS气体传感器的VOCs快速检测与预警装置；最后，搭载小型四旋翼无人机平台，构建了无人机搭载MEMS气体传感器的VOCs快速监测与预警设备，通过了安徽省电子产品监督检验所第三方检测评估，设备各项指标均满足要求，并出具了第三方CMA认证报告。此外，所研制的监测样机已经在江苏省泰兴市经开区化工园区不同监测点开展了实际性能验证与应用推广，并在泰兴市经开区化工园区进行安装应用，成功接入园区天地空一体化环境监测与管理系统，首批安装10套，销售总额112.5万。

图3 课题组研制的基于MEMS气体传感器的VOCs在线监测设备、第三方测试报告、现场应用示范、应用安装推广与中标通知书等

2）深海研究是国家重大战略方向，是全球科技竞争的前沿领域，具有重要意义。深海溶解气探测又是深海研究的核心技术手段之一，深海溶解气体种类繁多，溶解氢是其中一种，主要来源于热液反应与微生物产氢，对深海溶解氢进行探测不仅是理解地球深部物质循环和生命极限的关键，也能为新能源开发、气候调控及地球系统科学研究提供新视角。课题组在国家自然科学基金面上项目（62471172）支持下，围绕深海溶解氢探测的迫切需求，针对当前深海溶解氢探测所使用的气体传感器几乎被国外垄断，急需国产化产品替代的现况，开发适用于深海溶解氢探测的高灵敏、快响应、抗湿度MEMS氢气传感器及其探测系统。

图4 高粘附性纳米氢敏浆料研制、氢气探测性能指标测试、氢气探测系统、第三方CMA测试报告、深海模拟封装与氢气探测标定

课题组首先采用高压反应釜、空间限域浸渍和超快速高温煅烧方法，制备出单原子催化剂参杂的多孔纳米金属氧化物敏感材料，实现对氢气高灵敏、高选择性探测；其次，通过传感器结构优化，在敏感薄膜薄面增加一层透气疏水含氟聚合物涂层，提高传感器整体的抗湿性；此外，基于所研制的多孔纳米金属氧化物，通过添加有机分散剂、导电剂和乙基纤维素，并进行组分投料比优化，研制出高粘附性纳米氢敏浆料，以该浆料为敏感层，显著提升了传感器长期稳定性。最后，项目围绕高灵敏、高稳定性、抗湿度氢气传感器探头，设计搭建小型化氢气探测系统。所研制的MEMS氢气传感器通过了安徽省电子产品监督检验所第三方CMA检测评估，并在中国科学院深海科学与工程研究所进行深海溶解氢模拟探测，实际海试正在进行。相关研究结果申请了发明专利，并在Nature系列期刊Communication Materials发表。