微机电系统（MEMS）传感器给二氧化氮检测带来变革

《传感器》杂志上近期的一篇文章介绍了一种新颖的微机电系统（MEMS）气体传感器，该传感器旨在高效检测二氧化氮（NO₂）。它基于分级氧化铟（In₂O₃）结构构建，将超低功耗与卓越的灵敏度相结合，代表着气体传感技术向前迈出了重要的一步。

研究：《基于分级氧化铟（In₂O₃）纳米结构的脉冲驱动微机电系统二氧化氮传感器用于灵敏且超低功耗检测》。图片来源：curraheeshutter/Shutterstock.com

背景

气体传感器，尤其是金属氧化物半导体（MOS）类型的传感器，因其高灵敏度、快速响应时间以及成本效益而备受青睐。然而，一个主要的缺点是它们需要较高的工作温度（通常在 100℃到 450℃之间）才能实现最佳性能。这种高温要求极大地增加了能耗，使得这些传感器不太适用于便携式和可穿戴设备。

本研究探索了气体传感器技术旨在解决这些能耗限制方面的进展。研究强调了传感器材料和结构方面的创新（比如由氧化铟制成的分级纳米结构）如何有可能改变传感器的性能。这些纳米结构通过改善与目标气体分子的相互作用来增强气体传感能力，从而实现更高的灵敏度、更快的响应时间以及更低的功耗。

研究概述

该研究采用了一套系统的流程来合成分级氧化铟材料，将其作为微机电系统气体传感器的传感层。合成过程首先是制备含有氯化铟和十二烷基磺酸钠的混合溶液，并加入尿素作为沉淀剂。该溶液在 120℃下进行 9 小时的水热反应，生成氧化铟前体。

冷却后，对前体进行离心、冲洗，并在 500℃下煅烧，从而制得黄色的氧化铟粉末。然后将粉末与乙醇和去离子水混合，形成均匀的糊状物，再将其涂覆到微机电系统微热板（MHP）芯片上。配备有加热电极的微热板芯片对传感器的运行起着至关重要的作用。为确保稳定性，涂覆后的传感器在进行气体传感测量之前，要先在 300℃下干燥并老化 24 小时。

实验设置包含两种加热模式：连续加热和脉冲加热。在连续加热模式下，传感器在恒定电压下预热 72 小时以稳定其性能，随后对浓度范围从 100 ppb 到 4 ppm 的二氧化氮进行测试。在脉冲加热模式下，改变诸如持续时间和等待时间等加热参数，以研究它们对热响应和传感器性能的影响。这种方法旨在为精确且节能的二氧化氮检测优化条件。

结果与讨论

研究表明，基于分级氧化铟的微机电系统气体传感器在检测二氧化氮方面优于传统气体传感器，尤其在灵敏度和能效方面表现突出。脉冲驱动加热模式被证明是一个重大突破，它将功耗降低至仅 0.075 毫瓦，大约是连续加热模式（22.5 毫瓦）所需能量的 1/300。这一显著的功耗降低使得该传感器非常适用于便携式和可穿戴应用场景，在这些场景中电池续航是一个关键考量因素。

研究结果还显示，由于微加热器的快速热响应，传感器在脉冲模式下的灵敏度有所提高。作者将这一改进归因于二氧化氮分子与分级氧化铟结构之间的相互作用，这种相互作用促进了负氧物种的形成，从而增强了传感器的响应。令人印象深刻的是，该传感器能够检测到低至 100 ppb 的二氧化氮浓度，凸显了其在各种环境下进行实时监测的潜力。

结论

总之，本文通过研发基于分级氧化铟的微机电系统二氧化氮传感器，展示了气体传感器领域的一项重大进展。通过将创新设计与脉冲驱动加热机制相结合，该传感器在显著降低功耗的同时实现了灵敏度的提升。这些特性使其成为既需要高效能又需要便携性的现代应用的理想解决方案。

这项研究凸显了分级纳米结构在推动气体传感技术进步方面的变革潜力，尤其是在应对环境监测和安全领域对低能耗解决方案日益增长的需求方面。这些研究发现为将这些传感器集成到可穿戴设备和物联网设备中开辟了新的可能性，为未来能效至关重要的发展奠定了坚实基础。

期刊参考文献

梅 H.，张 F. 等人（2024 年）《基于分级氧化铟（In₂O₃）纳米结构的脉冲驱动微机电系统二氧化氮传感器用于灵敏且超低功耗检测》，《传感器》，第 24 卷，第 7188 页。DOI: 10.3390/s24227188，网址：https://www.mdpi.com/1424-8220/24/22/7188

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