CMOS-MEMS气体传感器及Pd-Pt双金属催化剂在检测乙烯中的作用
2025-06-29 09:20:28 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员总结了基于创新的气体金属氧化物半导体（GMOS）传感器和新型金属纳米颗粒催化组合物在乙烯检测领域取得的重要进展。
乙烯浓度的精确测量在智慧农业、食品供应链和化工行业中极其重要。目前，乙烯作为预测水果保质期的关键参数，其检测受到缺乏合适测量系统的限制——现有乙烯检测系统难以实现ppm浓度级别的实时监测。现有的传感器无法承受运输容器、储藏室或工业厂房内的恶劣条件。标准的挥发性有机化合物（VOC）传感器和其它乙烯传感器会与农产品供应链中的其它气体发生交叉反应，缺乏灵敏度，无法提供稳定的长期读数。基于燃烧型低成本商用传感器的乙烯检测在农业和工业应用中的重要性和挑战是众所周知的。
据麦姆斯咨询报道，近期，以色列理工学院的研究人员总结了基于创新的气体金属氧化物半导体（GMOS）传感器和新型金属纳米颗粒催化组合物在乙烯检测领域取得的重要进展。文中介绍了利用CMOS-SOI-MEMS技术制造的微型催化传感器对乙烯和乙醇的传感研究。比较了双金属钯-铂（Pd-Pt）和单金属钯（Pd）、铂（Pt）催化剂的GMOS性能。观察到Pd-Pt催化剂的协同效应，与单金属组分相比，燃烧反应的起燃温度向更低的催化剂温度偏移，同时灵敏度提升。针对低浓度和高浓度乙烯筛选出了最佳催化剂及其温度工作区间，从而降低了传感器的功耗。相关研究成果以“The Role of Pd-Pt Bimetallic Catalysts in Ethylene Detection by CMOS-MEMS Gas Sensor Dubbed GMOS”为题发表在Micromachines期刊上。
GMOS气体传感器芯片的总面积为1.6 mm x 2.2 mm，包含六个相同的300 µm x 300 µm微加工像素。其中四个是有效像素，覆盖着相同或不同的催化层，其余两个被称为参考或“盲”像素，没有覆盖催化剂，用于差分温度测量。每个有效像素（带有催化剂）上因气体燃烧导致温度变化而产生的电压信号，可相对于其中一个盲像素单独进行测量。
GMOS气体传感器芯片
对于给定的催化剂，GMOS响应取决于环境中的气体浓度和像素催化剂温度。在相对较低的气体浓度范围内，气体浓度越高，可在催化表面产生反应的分子越多，GMOS响应越强。对温度的依赖更加复杂，因为有两个温度区域：反应控制和扩散控制。在反应控制区，响应随温度呈指数增长，而在扩散控制区，信号几乎与温度无关。
基于形态和结构表征、活化能和灵敏度分析，Pd-Pt催化剂与单独的Pd和Pt相比表现出优异的性能。这种增强的性能归因于形态和降低的活化能的协同效应。Pd-Pt层的独特形态和表面形态似乎促进了传感器活性的提高，特别是在检测低浓度乙烯和乙醇时。此外，改进的催化行为与这些气体燃烧时观察到的较低活化能有关。
覆盖有催化层的芯片像素SEM图像：（a）Pd催化剂；（b）Pt催化剂；（c）Pd-Pt催化剂。
Pd-Pt催化层的聚焦离子束图像（FIB）图像
分析还表明，Pd层不是连续的，而是由垂直取向的结构组成的。这些垂直特征可能会与下方衬底热接触不良，可能导致局部温度降低。这种热效率低下可能会阻碍催化反应，并解释了灵敏度降低和观察到的活化能升高的原因。此外，有限的有效表面积对传感器芯片性能至关重要，因为它与信号强度有直接关系，可能会进一步限制传感器输出。
催化层SEM图像：（a）Pd催化剂；（b）Pt催化剂；（c）Pd-Pt催化剂。
本研究中Pd-Pt性能的提高可能是由于双金属界面上的电子相互作用。无论确切的机制如何，研究结果表明，Pd-Pt能够在相对较低的温度下有效地感应乙烯和乙醇，使其成为低功耗、实用传感器应用的理想候选者。
不同催化剂相对于1 ppm的归一化灵敏度：（a）乙醇和（b）乙烯。
除了用于智慧农业的低浓度检测外，高乙烯浓度传感在化学工业中也至关重要。研究人员使用Pt催化剂研究了GMOS对100 ppm和1000 ppm乙烯的传感。结果表明，在268 °C/3.5 V的催化剂温度下，GMOS响应与乙烯浓度成正比。在223 °C/3.0 V的较低催化剂温度下，对100 ppm的响应是足够的；然而，随后引入1000 ppm乙烯时，响应并未随浓度增加而成比例变化。为了使GMOS气体传感器在高乙烯浓度下正常工作，加热电压应设置为3.5 V或更高。
GMOS在（a）3.5 V和（b）3.0 V加热电压下对100 ppm和1000 ppm乙烯的响应。
总而言之，催化剂灵敏度和热工作区间是影响GMOS气体传感器性能的关键参数。在这项研究中，对双金属Pd-Pt纳米颗粒催化剂进行了评估，并将其与单金属Pd和Pt催化剂在乙烯和乙醇传感方面进行了比较。Pd-Pt催化剂显示出明显的协同效应，能够实现更高的灵敏度，并能在比单一金属所需更低的条件下，于扩散控制区内工作。
使用相同的GMOS气体传感器，成功实现了对宽浓度范围（5–1000 ppm）乙烯的检测。为低浓度和高浓度都建立了最佳加热条件。然而，高浓度下的准确检测取决于保持足够高的催化剂温度，以确保响应的线性。
活化能分析进一步证实了Pd-Pt催化剂的优势，其在所研究的三种催化剂中表现出最低的活化能。这表明更有利的表面反应动力学。这项工作证明了Pd-Pt双金属催化剂在农业和工业应用中显著提高基于燃烧的乙烯检测的GMOS气体传感器性能的潜力。
论文链接：https://www.mdpi.com/2072-666X/16/6/672
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