纳米结构薄膜在气体传感器中的应用
2021-11-16 16:00:43   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，空气质量对人类健康和社会经济带来重大影响，因此，环境气体污染的控制正变得越来越重要。基于纳米结构薄膜的新型气敏器件有望提供更高的灵敏度、选择性和更快的响应时间。

质谱、红外光谱和激光吸收光谱等气体混合物分析技术，能够准确检测气体污染物。不过，利用这些传统分析仪器检测往往耗时且昂贵，而且通常不支持偏远地区和室外条件。

过去数十年来，紧凑型气体传感器作为多种气体污染物探测器引起了人们的极高关注，它们可以检测来自自然来源和工业制造领域的NO_x、SO_x、HCl、CO₂、挥发性有机化合物（VOCs）以及氟碳化合物等。有害和污染气体的快速实时检测，对环境控制、化学制造、制药、医疗诊断和许多其他领域具有重要意义。

目前，半导体金属氧化物薄膜是应用最广泛的气体传感器类型之一。金属氧化物薄膜由于其结构简单、制造成本低、易用以及多种气体检测能力，而在气体传感领域较早兴起。

金属氧化物薄膜气体传感器原理

通过气敏材料各种物理性质的变化，可以检测污染气体的存在，例如导电性、电容、功函数、质量、光学特性或在气/固相互作用过程中释放的能量。此外，气敏层的厚度（<1 μm）及其表面形貌可以大幅提高气敏性能。不过，大多数薄膜气体传感器仍存在响应和恢复时间以及灵敏度相关的短板。

用于气体传感器的纳米结构金属氧化物

近年来，纳米技术的迅速发展为人们解决薄膜气体传感器的短板提供了新选择。

金属氧化物纳米线、纳米带和纳米颗粒等半导体纳米结构的工业化规模制造能力，为构建具有极高灵敏度的纳米结构金属氧化物薄膜气体传感器提供了基础。这种纳米结构器件的表面积显著增加，改善了表面上气体物质的吸附，从而提高了器件性能。

此外，与传统气体传感器相比，吸附气体分子的后续催化活性提高了传感性能，从而缩短了响应时间。然而，由于制造成本的增加，采用纳米结构金属氧化物薄膜的气体传感器相比采用块体材料的气体传感器要昂贵。

用于选择性可调气体传感器的纳米图案化导电聚合物

近年，随着有机电子学的发展，已经开发出基于聚合物的气体传感器。通过将导电聚合物（如聚苯胺和聚吡咯）以类似有机场效应晶体管的配置在绝缘衬底上进行纳米图案化，可以检测极低浓度的各种有机化合物，包括三硝基甲苯和其他硝基芳香族爆炸物等。

聚合物基气体传感器的灵敏度取决于传感区域的纳米结构。添加金属氧化物纳米颗粒、石墨烯薄片或碳纳米管可以实现传感器的选择性可调。

高灵敏度气体传感器的实用解决方案，碳基纳米材料

原始石墨烯是一种具有零带隙半金属电子特性的原子厚度碳材料，通常需要进一步的表面功能化以增强对气体分子的检测。

石墨烯基薄膜气体传感器原理图

石墨烯衍生物，如功能氧化石墨烯和碳纳米管，由于具有极高的表面体积比，使得整个原子薄层都可以受到气体分子的影响，因而在气体检测方面展示出巨大的前景。此外，功能氧化石墨烯的化学修饰表面增强了气体分子的吸收，并改善了向传感器电极的传递。

带有叉指电极和金属纳米颗粒修饰石墨烯通道的气体传感器示意图

气体传感器性能的未来挑战

尽管最近取得了一些进展，但在气体传感器中充分利用纳米结构薄膜的优势仍存在一些挑战。为了确保气体传感器的一致性和可重复特性，需要在厚度、成分和形态方面更好地控制纳米结构的制造。

这些因素的考量对于石墨烯基气体传感器来说尤其重要，因为任何制造一致性问题都会严重影响器件的温度稳定性、选择性、响应/恢复时间、重复性和耐久性。这类纳米结构气体传感器的大规模商业化生产，还需要开发更具成本效益的纳米制造工艺。

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《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》

《环境气体传感器技术及市场趋势-2020版》