金屬氧化物半導體是近年來主流的氣體傳感器材料之一，其具備高靈敏度，快速響應等性能優勢。電阻式金屬氧化物半導體傳感器兼有吸附和催化的效應，需要較高的使用溫度（150~500ºC）。目前，主流的電阻式金屬氧化物氣體傳感器通常由陶瓷加熱管管包覆氣體傳感器，大約位於厘米的尺寸範圍。
近日，美國賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系程寰宇博士與化學系Zarzar博士課題組合作在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表了論文」Direct Laser Writing of Microscale Metal Oxide Gas Sensors from Liquid Precursors」 (DOI: 10.1021/acsami.2c03561).
該課題利用激光誘導熱體素法(Laser-induced thermal voxels: LITV)快速而廉價地在微米尺寸範圍製造微型金屬半導體氣體傳感器或氣體傳感器陣列（如圖1）。
圖 1利用LITV方法製造氣體傳感器陣列：a)傳感器俯視圖與截面正視圖，b)LITV方法簡單流程，c)生成金屬氧化物的掃描電子顯微鏡圖像（比例尺100微米）
LITV方法是一種可以利用激光直接同時在基底上生成並整合金屬氧化物的新型技術方法，對應金屬氧化物的可溶性鹽溶液被作為前體，並進一步利用激光直寫技術製造高溫（超過1000攝氏度以上），引起溶液中的金屬鹽分解，並形成金屬氧化物的納米顆粒 （如圖2，3）。在這種方法的基礎上，團隊成功實現了快速並廉價的微米尺寸氣體傳感器陣列的生產，並進行了氣體傳感器性能的測試。
圖 2金屬氧化物納米顆粒的掃描電鏡圖 A) 氧化鐵/鉑傳感器材料組合的HRTEM(i) 與EDS(ii) 圖，圖中畫圈區域為氧化鐵與鉑的納米顆粒。B)氧化銅/氧化鋅材料組合的HRTEM(i) 與EDS(ii) 圖，途中畫圈區域為氧化鋅與氧化銅的納米顆粒。
由於金屬半導體型氣體傳感器需要一定的工作溫度，本文作者使用了金屬塗層技術將金屬鈦電路與氣體傳感器進行了層疊，作為微型加熱器以保持測試溫度（如圖4）。在諸多不同類型的金屬氧化物以及氧化物或金屬組成的半導體結中，圖案對測試了其中五種金屬氧化物半導體材料，包括氧化銅（CuO），氧化鎳（NiO），氧化鐵/鉑組合（Fe2O3/Pt），以及氧化銅/氧化鋅組合（CuO/ZnO）。
圖 4加熱器與氣體傳感器層疊圖。其中上層（藍色）為氣體傳感器（LITV方法取得）及其連接電極（100nm金/10nm鉻塗層），中層（白色）為玻璃片載體（170nm），下層（橙色）為加熱電路及其連接電極（100nm鈦塗層）。
圖 5氧化銅與氧化鎳氣體傳感器對特定氣體濃度的響應a)氧化銅氣體傳感器與氧化鎳傳感器對一定濃度不同氣體的響，依次為（酒精，丙酮，二氧化氮，氨氣，以及硫化氫），b)氧化鎳傳感器對不同濃度酒精蒸氣的響應，c)氧化銅對不同濃度酒精蒸氣的響應
結果表明得到的微型氣體傳感器具備優良的氣體敏感性和一定的選擇性。氣體傳感器的最佳工作溫度為200攝氏度，對應響應最佳的氣體是酒精(Ethanol)與丙酮(Acetone). 整體上，氣體傳感器表現了較好的可重複性，長期穩定性，以及連續測試穩定性，同時保持了較低的氣體濃度檢測限（圖6，7，8）。由於激光方法的特殊優勢，LITV方法需要更少的金屬溶液原材料，更簡單的生產方法，以及更短的工藝時間，因此使基於金屬半導體材料的微型氣體傳感器的生產變得更加廉價與快速。
圖 6氧化銅，氧化鎳，以及氧化銅/氧化鋅組合氣體傳感器重複性實驗，條件為200攝氏度下200ppm酒精蒸氣環境。
圖 7氧化銅，氧化鎳，以及氧化銅/氧化鋅組合氣體傳感器長期穩定性實驗，條件為200攝氏度下200 ppm酒精蒸汽環境，黑線為製造當天測試結果，紅線為240天後再次測試結果。
圖 8氧化銅/氧化鋅組合氣體傳感器的檢測限測試結果，條件為200攝氏度酒精蒸氣檢測，其中最小測試濃度為200ppb.未來，LITV技術將有希望被拓展到柔性基底上，或者利用激光進行多重傳感器材料的同時生成，為柔性傳感器的製造提供一個更新，更廉價高效的方案，柔性氣體傳感器陣列將可大量應用於環境監控，工業安全，健康檢測等多方面。原文鏈接
Castonguay, Alexander C., et al. "Direct Laser Writing of Microscale Metal Oxide Gas Sensors from Liquid Precursors."ACS Applied Materials & Interfaces(2022).
https://doi.org/10.1021/acsami.2c03561賓夕法尼亞州立大學程寰宇團隊（https://sites.psu.edu/chenggroup/）致力於可穿戴電子設備與傳感器的設計研究，相關研究成果發表在多個不同國際頂級期刊。程寰宇博士目前為美國賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系副教授，Dorothy Quiggle Career Development冠名教授，洪堡學者，已發表學術論文100餘篇，擔任50多個國際期刊審稿人及Computers in Biology and Medicine副主編。程寰宇博士曾入選2017年福布斯科學領域「30位30歲以下精英」榜單、入選2016年福布斯製造業/工業領域「30位30歲以下精英」榜單、入選Global Young Academy，入選MIT中國「35歲以下科技創新35人」等。目前，程寰宇博士團隊的主要研究集中於健康監測的柔軟、可溶解、多模態傳感器，以及無線無源可拉伸傳感系統。其團隊核心工作是將材料、機械、電子和生物醫學工程與生命科學和醫學聯繫在一起。
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