射频溅射沉积与超高温退火技术制备GaOx/CIGS薄膜的稳定MEMS气体传感器研究

本研究针对环境监测中H2S气体检测的灵敏度和稳定性需求，通过射频溅射（RF sputtering）和超高温退火技术制备GaOx/CuInGaSe2（CIGS）薄膜，集成MEMS结构开发高性能气体传感器。结果显示，该传感器对1 ppm H2S响应达66.4%，误差<±1.3%，且对CO、TVOC等干扰气体无响应，具有优异的长期稳定性和选择性，为环境健康监测提供新方案。

　　

随着《蒙特利尔议定书》的实施，空气污染对人类健康的威胁日益受到关注。其中，硫化氢（H₂S）作为一种剧毒气体，即使低浓度（10 ppm）暴露也可能导致呼吸系统、神经系统损伤甚至死亡。传统气体传感器存在灵敏度低、抗干扰能力差等问题，而基于半导体材料的微机电系统（MEMS）传感器因其微型化、低功耗优势成为研究热点。然而，如何提升材料的气敏选择性和长期稳定性仍是技术瓶颈。

为此，台湾的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表了一项创新研究。他们采用射频溅射沉积技术制备铜铟镓硒（CuInGaSe₂, CIGS）薄膜，并通过超高温退火工艺在其表面生成氧化镓（GaO_x）层，最终与MEMS结构集成开发新型气体传感器。研究通过调控退火温度（389 °C为最优条件），使传感器在330 °C工作温度下对1 ppm H₂S的响应达到66.4%，误差控制在±1.3%以内，且对CO、TVOC等干扰气体几乎无响应。在长达280小时的连续测试中，即使环境温湿度变化或低浓度气体（H₂S=125 ppb，NO₂=200 ppb）干扰，传感器仍保持稳定性能。

关键技术方法

1. MEMS基底制备：采用背面刻蚀硅技术制作悬空结构，集成图案化金属层；
2. RF溅射沉积：在MEMS基底上沉积CIGS薄膜；
3. 超高温退火：通过电流调控（1.0-3.5 V）实现GaO_x层原位生成；
4. 表征技术：X射线衍射（XRD）确认黄铜矿结构，拉曼光谱分析镉富集现象，X射线光电子能谱（XPS）和霍尔效应测试验证n型半导体特性。

研究结果

1. 形貌与结构分析：SEM显示退火后GaO_x/CIGS颗粒尺寸从32 nm增至85 nm，符合奥斯特瓦尔德熟化现象；XRD证实薄膜具有黄铜矿晶体结构。
2. 气敏性能：传感器对H₂S的响应速度与恢复时间最优，且工作温度（330 °C）下电阻变化与温度呈线性关系（R²≈0.985）。
3. 选择性与稳定性：在10 ppm TVOC、CO、NO₂和1 ppm NH₃共存环境下，传感器仅对H₂S产生显著响应。

结论与意义
该研究通过GaO_x/CIGS异质结设计与MEMS集成，解决了传统半导体传感器选择性和稳定性不足的问题。其创新点在于：

1. 利用GaO_x（4.9 eV）与CIGS（1.16-1.45 eV）的能带匹配增强气敏特性；
2. 退火工艺调控表面缺陷化学，优化气体吸附/解吸动力学；
3. MEMS结构实现低功耗与微型化。这项技术为可穿戴环境监测设备及物联网（IoT）应用提供了可靠解决方案，尤其适用于工业排放和室内空气质量监测场景。

（注：全文数据与结论均基于原文实验证据，未添加主观推断）