金纳米颗粒增强型镍氧化物基MEMS气体传感器的性能研究及其在硫化氢检测中的应用

本文报道了一种基于镍氧化物（NiO）敏感层的硫化氢（H2S）MEMS气体传感器技术，通过金纳米颗粒（GNPs）修饰将灵敏度提升5倍，响应时间缩短至5秒（70 ppm H2S）。研究揭示了GNPs通过提高NiO结晶度和表面溢出效应增强性能的机制，其微机电系统（MEMS）设计使功耗低于1W，为低浓度（1-70 ppm）有毒气体检测提供了高效解决方案。

　　

Highlight

NiO基MEMS气体传感器的制备

电阻式气体传感器的功能架构以加热元件和半导体气敏材料层为核心。我们选取10×10 mm²的单晶硅片（厚度0.4 mm），通过背面刻蚀形成50 μm厚的悬空膜结构（图1a），其中心区域集成了叉指电极和加热元件。

敏感层的SEM与AFM表征

原子力显微镜（AFM）显示纯NiO薄膜（40 nm厚，350°C退火）表面光滑（粗糙度1.4 nm），晶粒尺寸为10±3 nm（图2a）。而含有金纳米颗粒（GNPs）的样品经PF₄离子处理后，表面形貌显著改变（图2b），展现出独特的纳米结构特征。

结论

本研究开发了一种可集成金纳米颗粒（GNPs）的MEMS传感器制备工艺。传感器工作功耗<1W，其中GNPs修饰的NiO层响应时间仅5秒（纯NiO为10秒），恢复时间达28分钟。实验证明GNPs通过双重机制提升性能：①促进NiO结晶化；②增强表面气体分子溢出效应。该技术为开发高效、低功耗的有毒气体检测系统提供了新思路。