加州大學伯克利分校阿里·賈維教授Adv. Mater.：用于食物質量評估中痕量、多組分檢測的硅基氣濕敏場效應管陣列

引言

室溫下的標志氣體檢測對于工農生產及物資倉儲過程中的安保、質保具有重要的意義。但在實際檢測中，多種待測氣體往往混合存在于同一空間，且濃度極低，對氣體檢測造成了極大的困難。因此，為了實現標志性氣體的有效檢測，需要氣體傳感器具有高靈敏度、高選擇性和低檢測極限等特性。此外，面對當今電子產品與元器件的便攜化、集成化趨勢，氣體傳感器還需要具有小尺寸、低功耗等特點。為此，研究人員從不同工作原理與不同材料體系進行了大量研究，但大多由于工藝再現性等問題無法實現大批量生產，傳統氣體傳感器存在的高溫工作、基線漂移、尺寸較大等問題也阻礙了其進一步發展。

成果簡介

近日，加州大學伯克利分校的阿里·賈維教授（通訊作者）與袁震（第一作者）等人基于場效應管結構，利用傳統硅工藝技術制備了場效應管陣列。該制備方法與現代芯片制造工藝完全兼容，可實現晶圓級制備。在該研究中，針對食物變質檢測這一應用場景，采用不同敏感材料對各單元分別進行修飾，制備了能夠同時監測氨氣、硫化氫與濕度的氣濕敏場效應管陣列。該器件顯示出良好的靈敏度與極低的檢測極限，具有良好的選擇性，各單元間交叉串擾響應與基線漂移較小，展示出優異的氣敏檢測性能。此外，基于器件性能參數，該研究設計了包括便攜式信號讀取輸出電路與顯示軟件在內的多組分氣濕敏檢測系統。并應用于高蛋白食物的質量評估檢測中。相關成果以“Trace‐Level, Multi‐Gas Detection for Food Quality Assessment Based on Decorated Silicon Transistor Arrays”為題發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。

圖文導讀

圖1?氣濕敏場效應管的器件結構圖

圖2?氣濕敏場效應管中各單元器件的動態響應與交叉串擾響應圖

圖3?氣濕敏場效應管中各單元器件的重復性與選擇性

圖4?測試系統對不同溫度下的雞蛋變質實時檢測結果圖

圖5 測試系統對不同溫度下的豬腹肉變質實時檢測結果圖

小結

研究團隊用設計并制備了具有高工藝兼容性、高敏感特性的的硅基氣濕敏場效應管陣列，并針對應用場景設計了該陣列的敏感功能，實現了小尺寸、低功耗、高性能氣體傳感器陣列的晶圓級制備。結合后端電路與軟件，構建了便攜式氣濕敏檢測系統，實現了食物質量評估檢測。該研究為氣濕敏傳感器的設計與制備提供了新思路，促進了氣濕敏傳感器的規模化生產與應用。

文獻鏈接：Trace‐Level, Multi‐Gas Detection for Food Quality Assessment Based on Decorated Silicon Transistor Arrays（Adv. Mater. 2020, doi.org/10.1002/adma.201908385）

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