利用激光直写技术“定制”气体传感器，可用于“电子鼻”
据麦姆斯咨询报道，近日，归功于美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的最新研究，距离开发出能够同时嗅出多种气体（可能指示疾病或污染）的环境传感器又近了一步。该校工程学院工程科学与力学系助理教授Huanyu "Larry" Cheng和Eberly理学院化学系助理教授Lauren Zarzar及其团队将激光直写和响应传感器技术相结合，制造出第一款高度可定制的微型气体传感器。
上述研究团队在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上发表了以“Direct Laser Writing of Microscale Metal Oxide Gas Sensors from Liquid Precursors”为题的最新研究论文。
Lauren Zarzar助理教授实验室的研究生Alexander Castonguay（左）和Huanyu "Larry" Cheng助理教授使用激光装置进行多学科联合研究
“气体检测对各个领域都至关重要，包括污染监测、公共安全保障和个人健康护理等。”Cheng说，“为了满足这些需求，气体传感器必须体积小、重量轻、价格便宜、易于使用，并适用于各种环境和基底，如衣服或管道。”
Cheng表示，挑战在于如何制造具有所需特性的气体传感器，这些器件仍然可以根据所需的基础设施进行定制，以便精准地检测不同的目标气体。这就是Zarzar在激光直写技术方面的专长所在。
Zarzar说：“激光直写技术赋予众多领域的设计自由，扩展了我们对新材料（尤其是纳米材料和纳米复合材料）如何直接合成、图案化以及集成到复杂系统中的理解，使我们能够创造出越来越复杂和有用的传感技术。”
Zarzar的研究小组开发了激光诱导热体素（laser-induced thermal voxel）工艺，该工艺在制造金属氧化物的同时能将其直接集成到传感器平台中。金属氧化物是一系列能够与各种化合物发生反应、触发传感机制的材料。借助于激光直写技术，研究人员将金属盐溶解在水中，然后将激光聚焦到溶液中。高温可以使溶液发生分解，留下可烧结在传感器平台上的金属氧化物纳米颗粒。
宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用一种新的激光直写技术开发出第一款高度可定制的微型气体传感器
这种工艺简化了以前需要计划图案预定义掩膜的方法膜。任何更改或调整都需要创建一个新的掩膜——这非常耗费时间和金钱。根据Zarzar的说法，激光直写是“无掩膜的”，当与热体素工艺相结合时，它将对多种设计或材料进行快速迭代和测试，以找到最有效的组合。
“精确的图案化也是制造‘电子鼻’或气体传感器阵列过程必不可少的部分，它们的作用就像鼻子一样，可以同时精确检测多种气体。”该论文第一作者、化学系研究生Alexander Castonguay说道，“这种精确的检测需要对不同的材料进行非常接近（微米尺度）的图案化。很少有图案化技术能够做到这一点，但本研究中详述的方法确实如此。我们计划使用论文中描述的技术和材料来开发电子鼻原型。”
研究人员测试了目前用于气体传感器的五种不同金属氧化物和金属氧化物组合。Castonguay表示，不同金属氧化物相接触的点（称为异质结）在两种材料的界面处形成一种独特的环境，从而增强了气体传感器的响应。研究小组发现，氧化铜和氧化锌的异质结对测试气体（乙醇、丙酮、二氧化氮、氨和硫化氢）的响应能力比氧化铜高5到20倍。
“这一发现验证了科学文献中的其他报道，即创建混合氧化物系统可以显著提高气体传感器的响应，并证明了激光诱导热体素技术在混合氧化物气体传感器制造中的有效性。”Castonguay说，“我们希望，通过将Zarzar研究团队的激光直写技术与Cheng研究团队的可穿戴传感器专业知识相结合，以扩展我们的能力，从而创造新颖、可定制的传感器。”
论文信息：
Alexander C. Castonguay et al, Direct Laser Writing of Microscale Metal Oxide Gas Sensors from Liquid Precursors, ACS Applied Materials & Interfaces (2022).
DOI: 10.1021/acsami.2c03561
延伸阅读：
《气体传感器技术及市场-2022版》
《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》
《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
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