日本研发四通道纳机械气体传感器，可在几秒钟内嗅出痕量气体

据麦姆斯咨询报道，近期，日本研究人员研发出一种具有高灵敏的四通道纳机械（nanomechanical）气体传感器，可以在几秒钟内检测到工业气体泄漏。该传感器采用多种功能性聚合物来快速监测痕量的多种目标气体。通过改变所使用的聚合物，该传感器还可以很容易地适应各种应用领域，从食品和饮料生产和化学工艺中的质量控制，到通过呼吸分析对多种健康状况进行无创诊断。

这种多功能气体传感器可用于检测工业气体泄漏

该多功能气体传感器是日本三井化学公司（Mitsui Chemicals）功能聚合物设计专家与日本仙台东北大学微机电系统（MEMS）传感器研发领导者之间持续合作的产物。

“我们紧密合作设计了一种高度灵敏的气体传感器。”日本东北大学工程研究生院教授Takahito Ono说道，“我们的纳机械传感器与其它气体传感器的设计完全不同。”

该传感器的核心是一个集成四个硅框架的芯片，该硅框架上具有梳状的狭缝阵列。不同的功能聚合物嵌入每个框架的狭缝中。当聚合物从空气中吸收气体分子时，其会发生膨胀效应，从而在硅框架的一侧产生应力。然后，敏感单元又将机械应力转化为电能——产生电流。这种传感器设计可确保大多数目标气体的可检测浓度低于bbp级别。

四通道聚合物设计还允许同时检测多种目标气体。每种聚合物的独特溶胀响应会在芯片中产生电信号的特征模式，该传感器将其与数据库进行比较以识别存在的气体。

日本三井化学的科学家掌握的聚合物专业知识是该传感器实现高性能的关键。“我们非常了解气体和聚合物之间的相互作用，因此对于大多数目标气体组合，我们只需要四个通道即可。”三井化学研发中心Mai Kurihara Yamazaki解释道，“我们可以预测每种聚合物如何与气体发生反应，因此可以定制传感器以检测不同的目标气体，并确定存在的气体类型和浓度。”

集成纳机械气体传感器的产品原型

Mai Kurihara Yamazaki补充说，与竞争对手的传感技术相比，该传感器具有几个关键优势。“传统的气相色谱法灵敏度高，但检测速度相对较慢，必须由专业用户操作，而且检测某些目标气体（例如胺和硫化物）可能具有挑战性。”她继续说道，“我们的多功能纳机械传感器可以实时工作，不需要训练有素的操作员，并且可以使用我们开发的算法处理高度复杂的混合物。”

对于许多应用而言至关重要的是，该气体传感器甚至可以在高湿度条件下运行。“传统的半导体传感器对水非常敏感。”Mai Kurihara Yamazaki表示，“如果您尝试在高湿度下使用传统的半导体传感器，可能会得到不准确的读数，并且会缩短传感器的使用寿命。”

为了最大限度地减少湿度问题，可以选择该纳机械传感器中四通道聚合物中的一种来监测湿度水平，以便传感器可以自动消除湿度波动影响。

“我们的合作伙伴正在继续提高该传感器的性能，下一代原型将于2022年底完成。我们团队的专业知识非常互补。”Mai Kurihara Yamazaki说道。

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》