高通量、多組分的快速金屬/氧化物氣體傳感涂層篩選黑科技

在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)安全、智能家居等領(lǐng)域，高效且可靠的氣體傳感器需求日益增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)傳感器常受限于靈敏度不足、選擇性差、功耗高以及復(fù)雜的生產(chǎn)工藝。如何突破技術(shù)瓶頸，打造下一代高性能氣體傳感器？答案或許就藏在 VSP-P1 納米打印沉積系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)中。

由于針對(duì)不同使用場(chǎng)景，提升金屬氧化物氣體傳感器的選擇性，靈敏度需要進(jìn)行多種組分改變，從而獲得最佳性能。但隨著氣體傳感器向微小化發(fā)展，傳統(tǒng)的制備工藝并不適合進(jìn)行大量的成分篩選，同時(shí)存在一致性問(wèn)題。來(lái)自?shī)W地利的萊奧本大學(xué)團(tuán)隊(duì)的 Niels Schouten 與荷蘭 VSParticle 合作項(xiàng)目，針對(duì)多種氣體制備氧化物/金屬摻雜 MEMS 傳感器。 

01.VSP-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)：火花燒蝕與慣性沖擊打印的融合

VSP-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)由荷蘭 VSParticle 公司研發(fā)，基于火花燒蝕（Spark Ablation）與慣性沖擊打印（Inertial Impaction）兩大核心技術(shù)，為氣體傳感器制造提供了革命性解決方案：

• 火花燒蝕：通過(guò)高電壓火花燒蝕瞬間氣化金屬電極，生成超純納米顆粒（NP），可靈活混合金屬氧化物（如SnO?、NiO）、貴金屬催化劑（如Ag）等材料，實(shí)現(xiàn)“按需定制"的納米多孔層（NPL）。

   

• 慣性沖擊打印：將納米顆粒高速沉積于傳感器基底，無(wú)需光刻或刻蝕工藝，即可實(shí)現(xiàn)圖案化沉積。整個(gè)過(guò)程規(guī)避了化學(xué)污染，確保材料高純度與一致性，顯著提升傳感器性能。

02.VSP-P1 在氣體傳感器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1. 高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍

VSP-P1 技術(shù)制備的納米多孔層具有較高的比表面積，能夠顯著增強(qiáng)氣體分子與傳感器表面的相互作用。例如，在檢測(cè)甲醛氣體時(shí)，VSP-P1 制備的SnO?-Ag 傳感器在0.1 ppm濃度下表現(xiàn)出高達(dá)70% 的響應(yīng)，而在 10 ppm濃度下，響應(yīng)趨于飽和，顯示出優(yōu)異的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。

2.  優(yōu)異的選擇性和穩(wěn)定性

通過(guò)在金屬氧化物中添加催化劑（如Ag），VSP-P1 技術(shù)能夠顯著提高傳感器的選擇性和穩(wěn)定性。例如，NiO-Ag 傳感器在 0.1 ppm 甲醛濃度下表現(xiàn)出 20% 的響應(yīng)，且在不同濃度下具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

3.  多組分檢測(cè)能力

VSP-P1 技術(shù)能夠制備多種不同的納米材料，這些材料可以集成在一個(gè)多陣列傳感器平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的同時(shí)檢測(cè)。例如，一個(gè)傳感器平臺(tái)可以集成純金屬氧化物（SnO?和NiO）、二元合金（SnO?-NiO、SnO?-Ag和NiO-Ag）以及三元合金（SnO?-NiO-Ag），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的高靈敏度和高選擇性檢測(cè)。

4.  簡(jiǎn)化的制造工藝

VSP-P1 技術(shù)避免了傳統(tǒng)氣體傳感器制造過(guò)程中復(fù)雜的光刻和蝕刻步驟，從而減少了表面污染和提高了制造效率。此外，VSP-P1 技術(shù)可以在大氣壓下進(jìn)行，進(jìn)一步降低了制造成本。

圖1.利用 VSP-P1 在 MEMS 傳感芯片電極表面打印傳感納米多孔層

03.VSP-P1：火花燒蝕與慣性沖擊打印的融合

甲醛是一種常見(jiàn)的室內(nèi)空氣污染物，對(duì)人體健康具有嚴(yán)重危害。VSP-P1 技術(shù)制備的 SnO?-Ag 傳感器在 0.1 ppm 甲醛濃度下表現(xiàn)出高達(dá) 70% 的響應(yīng)，而在 10 ppm 濃度下，響應(yīng)趨于飽和，顯示出優(yōu)異的靈敏度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。二元合金（SnO?-Ag）和三元合金（SnO?-NiO-Ag）傳感器在不同濃度下表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和線性響應(yīng)。

圖2基于不同的印刷NPL的氣敏性能金屬氧化物半導(dǎo)體的組成部分。(a)甲醛暴露的阻抗變化。(b)傳感響應(yīng)程度

通過(guò)不同的納米粒子發(fā)生源，進(jìn)行多組分納米多孔傳感層的打印，并用于測(cè)試氣體傳感性能。每個(gè)發(fā)生器可獨(dú)立進(jìn)行靶材，功率的調(diào)控，從而獲得多樣化的材料組合。

表1：不同 NPL 材料的組成

表2：不同 NPL 材料對(duì)甲醛的響應(yīng)范圍

04.小結(jié)

該工作主要測(cè)試了甲醛、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)化合物的傳感效果，其中VSP技術(shù)制備的納米多孔層（NPL）在這些氣體的檢測(cè)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。特別是二元合金（SnO?-Ag）和三元合金（SnO?-NiO-Ag）傳感器在甲醛和氮氧化物的檢測(cè)中表現(xiàn)出高靈敏度和良好的線性響應(yīng)。這些結(jié)果表明，VSP 技術(shù)通過(guò)集成不同納米材料的多陣列傳感器平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的同時(shí)檢測(cè)，提高傳感器的選擇性和靈敏度。在氣體傳感器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于多組分 MOS 涂層篩選，并在未來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。

型號(hào)推薦 VSParticle 納米氣溶膠沉積系統(tǒng)

VSP-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)

VSP-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)是 VSParticle 產(chǎn)品線中的設(shè)備，專為材料開(kāi)發(fā)和小規(guī)模生產(chǎn)測(cè)試而設(shè)計(jì)。利用火花燒蝕材料的沖壓沉積技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)從稀疏團(tuán)聚體到厚達(dá)幾微米的連續(xù)層的不同層厚度印刷沉積。它的圖案化打印功能使得研究人員能夠在非半導(dǎo)體類的納米薄膜應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精細(xì)的厚度控制。VSP-P1 在高效催化劑涂層膜的開(kāi)發(fā)、電催化劑篩選和氣體傳感器研究中展現(xiàn)了其性能和靈活性。 

VSP-G1 納米粒子發(fā)生器

VSP-G1 納米粒子發(fā)生器是一臺(tái)桌面式儀器，可生成尺寸范圍為 1 – 20 nm 的純金屬、金屬氧化物、碳、半導(dǎo)體、合金納米氣溶膠材料。納米顆粒的生產(chǎn)采用純物理火花燒蝕技術(shù)制備，在氣相中進(jìn)行，無(wú)需真空，無(wú)需使用表面活性劑或前驅(qū)體。用于納米粒子生產(chǎn)的源材料僅需材料制成所需的兩根靶材（電極），使用時(shí)只需安裝電極并設(shè)置參數(shù)，按下按鈕即可開(kāi)始生成納米顆粒。 

VSP-S1 納米粒徑篩選沉積系統(tǒng)

VSP-S1 是 VSP-G1 的理想伴侶，它是一款用戶友好的納米粒子尺寸選擇器，能夠輕松篩選出 1-10nm 范圍內(nèi)的單一尺寸顆粒。VSP-S1 納米粒徑篩選沉積系統(tǒng)提供 0.1nm 分辨率的精準(zhǔn)控制；適用于原位 TEM 研究和尺寸依賴的效應(yīng)研究；具備實(shí)時(shí)跟蹤功能，確保樣品一致性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

【1】Sacco L N, Schouten N, Egger L, et al. Multiarray Gas Sensors Based on Nanoporous Layers Produced à la carte by Spark Ablation Using Metal Oxides, Binary and Ternary Alloys[C]//2024 IEEE SENSORS. IEEE, 2024: 1-4.