综述：低功耗MOS气体传感器研究进展
2025-12-22 22:09:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

金属氧化物半导体（MOS）气体传感器具有成本低、精度高、易于微型化等优点，是环境监测、食品腐败检测等应用的理想选择，尤其适用于物联网领域或便携式仪器。实现低功耗MOS气体传感器的技术路径主要分为两类：室温MOS气体传感器和MEMS MOS气体传感器。这两种途径分别通过“材料创新”和“结构-材料优化”来实现能效提升，共同推动了低功耗气体传感器的发展。

据麦姆斯咨询报道，针对上述领域研究，中国矿业大学、矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室的研究团队在Materials期刊上发表了题为“Recent Progress in Low-Power-Consumption Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors”的综述文章，系统介绍了室温气体传感器的研究进展，重点讨论了其材料创新与工作机制；详细阐述了MEMS气体传感器的最新发展情况，分析了低功耗MOS气体传感器面临的挑战与未来发展方向；最后对两种低功耗MOS气体传感器技术路径的研究现状进行了总结。

室温气体传感器

传统的金属氧化物（MOS）气体传感器需在室温以上工作，加热器是其主要功耗来源。这类气体传感器在检测易燃易爆气体时存在安全隐患，并且存在预热耗时久、材料热损耗显著等问题。相比之下，室温气体传感器无需加热即可工作，具有无需预热、功耗低、材料热损耗小、结构简单、高温危害降低等优势。这些突出特点吸引了研究者的广泛关注，相关研究围绕甲烷（CH₄）、氢气（H₂）、一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO₂）等气体的检测展开，其中NO₂为典型氧化性气体，其余三种为还原性气体，这四种气体在环境和工业场景中广泛存在。

图1 用于室温CO气体检测的传感器工作机制

图2 用于室温NO₂气体检测的传感器工作机制

图3 用于室温H₂气体检测的传感器工作机制

图4 用于室温CH₄气体检测的传感器工作机制

尽管室温气体传感器研究已取得显著进展，但这类传感器在实际应用中仍存在不足，主要是易受湿度影响、响应速度较慢、对低浓度气体的灵敏度有限、对目标气体的选择性较差，在对稳定性和灵敏度要求较高的场景中竞争力不足。

MEMS气体传感器

基于MEMS技术的气体传感器尺寸紧凑（1 μm ~ 1 mm），其独特的制造工艺便于构建气敏阵列或网格结构。该类传感器具有灵敏度高、响应速度快、功耗低、易于集成等显著优势，通过开发和优化不同特性的敏感材料，可实现对多种气体的有效检测。

MEMS金属氧化物气体传感器通过将微结构设计与合适的敏感材料相结合，在气体检测中实现了对目标气体的快速响应和低功耗运行。目前，低功耗MEMS MOS气体传感器的研究主要集中在两个方面：一是优化传感器的微热板（MHP）结构——高导热硅基微结构可在维持适宜温度的同时减少热损耗、降低功耗；二是改进敏感材料，通过纳米结构化提高比表面积以增强气体吸附效率，或构建复合金属氧化物体系以优化选择性和稳定性，同时减少长期运行中的基线漂移。这些协同进展共同强化了MEMS气体传感器“低功耗、高响应、微型化”的核心优势，为其功能与性能突破奠定了重要基础。

图5 MEMS微热板的相关研究成果

图6 MEMS MOS气体传感器用于CO检测

图7 MEMS MOS气体传感器用于NO₂检测

图8 MEMS MOS气体传感器用于H₂检测

图9 MEMS MOS气体传感器用于CH₄检测

挑战与展望

近年来，室温气体传感器因其安全需求和低功耗特性受到越来越多的关注，但湿度影响和响应速度是其主要面临的问题。缓解湿度影响的途径主要有以下三种：（1）通过功能材料进行表面修饰，例如催化过滤器或石墨；（2）温度调制法；（3）算法校正。表面修饰可有效阻挡水蒸气，但涂层过厚可能影响响应速度，并且添加功能材料会增加额外成本。算法校正已成为湿度抑制领域的研究热点。已有研究表明，通过精心调控材料成分和结构可实现快速的气体响应动力学。

选择性问题是所有MOS气体传感器（无论室温或高温工作、是否采用MEMS技术）普遍面临的挑战，这源于气体传感器基于表面反应的工作原理。先进算法与气体传感器阵列设计相结合是解决该问题的有效方案。近年来，卷积神经网络、残差网络（ResNet）、长短期记忆网络（LSTM）和Transformer等算法已应用于气体识别，取得了理想效果。此外，多任务学习框架已被用于气体分类和浓度回归双重任务。温度调制法是另一种解决选择性问题的方法。

MOS气体传感器的稳定性对其实际应用至关重要。近期的研究提出了多种提升MOS气体传感器稳定性的途径：首先，p型材料可能具有更优异的抗湿性，这是由于表面金属阳离子的作用——促进氧气的强吸附和氧化还原循环，从而抑制水分子的干扰；其次，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）或稀土氧化物进行疏水修饰可改善水分子的相互作用。

结论

综上所述，室温气体传感器无需加热，具有低功耗、结构简单等优点，但存在易受湿度影响、响应速度慢、对低浓度气体灵敏度有限及选择性不足等问题；MEMS气体传感器则在高灵敏度、快速响应、低功耗和易于集成方面表现突出，通过优化MEMS微热板结构和改进敏感材料实现低功耗运行，在CH₄、H₂、CO和NO₂检测中展现出优异性能。然而，MEMS气体传感器仍面临热串扰控制困难、结构完整性风险及制造工艺复杂导致量产成本高等挑战。由于工作原理的限制，上述两类MOS气体传感器均存在选择性问题，而先进算法的最新进展为该问题提供了理想的解决途径。未来研究应重点提升室温传感器性能（尤其聚焦选择性与响应速率），推动MEMS气体传感器结构与材料的协同创新，同时开发面向实际应用场景的智能化集成解决方案。

论文信息：https://doi.org/10.3390/ma18214864

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