新型微纳传感器及气体检测仪可用于生物及应力应变检测

最近,大连理工大学课题组研制出高可靠性、低功耗及高灵敏度的GaN纳米线气体传感器,并尝试做成传感器芯片及气体检测仪,以期将该传感器技术推广至生物检测以及应力应变检测等领域。

  日前,大连理工大学电子科学与技术学院教授黄辉团队发明了无漏电流“纳米线桥接生长技术”,解决了纳米线器件的排列组装、电极接触及材料稳定性问题,研制出高可靠性、低功耗及高灵敏度的GaN纳米线气体传感器,该传感器可推广至生物检测以及应力应变检测等。

新型微纳传感器可用于生物检测及应力应变检测

“无旁路电路”纳米线桥接生长方案

  IC与MEMS传感器

  近年来,半导体集成电路芯片(IC)发展迅猛,推动物联网和人工智能产业兴起。IC和传感器相互依存,如果把IC比作人处理信息的大脑,传感器则相当于获取信息的人的感知器官。然而,传感器、特别是微纳传感器的发展速度,远远滞后于IC的发展水平。黄辉认为,微纳传感器、传感芯片将是继IC产业之后的另一重大产业。

  黄辉介绍,目前广泛应用的最小的传感器是MEMS传感器。MEMS传感器,即微机电系统,是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。与传统传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸,它可以完成某些传统机械传感器无法实现的功能。

新型微纳传感器可用于生物检测及应力应变检测

该方案相关论文配图

  半导体纳米线器件制备工艺

  而与MEMS器件相比,半导体纳米线的尺度缩小了1000倍,面积缩小100万倍。因此,纳米线是最小的器件,也是微纳传感器的理想选择。相较于传统体材料和薄膜材料,半导体纳米线具有许多独特优势:大的比表面积可以提高器件的灵敏度,易于形变可提升材料的集成能力,纳米级的导光和导电通道可制作单根纳米线光子器件。此外,纳米线优异的机械性能以及灵活多样的结构,使其具有较好的柔韧性,且可形成芯包层和交叉网格结构。

  然而 ,纳米线的器件制备工艺存在纳米线易被污染和损伤、纳米线排列定位困难、纳米线电极接触电阻大的问题,阻碍了纳米线器件的实用化进程。2004年,惠普公司与加州大学合作发明了一种“纳米线桥接生长技术”,在一定程度上解决了这些技术难题。但是,在纳米线桥接生长过程中所产生的寄生沉积层会造成漏电流,这极大的劣化了纳米线器件的性能,该技术并未获得推广应用。

新型微纳传感器可用于生物检测及应力应变检测

课题组研制的微型气体检测仪

  GaN纳米线气体传感器

  黄辉教授课题组,首次研究了纳米线桥接生长中的寄生沉积效应,发明了一种结合气流遮挡效应与表面钝化效应的桥接生长方法,解决了寄生沉积问题,并首次实现了“无漏电流”的GaN桥接纳米线,在此基础上研制出高稳定性、低功耗以及高灵敏度的集成纳米线气体传感器。

  特别是,GaN材料是第三代半导体,具有优异的稳定性(耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀)和生物兼容性,适用于严酷环境下的应力应变以及液体和气体样品的检测(实验证明氢氟酸腐蚀48小时未对GaN纳米线产生影响),应用领域非常广泛。未来,该技术将推动传感器芯片的发展。

  课题组表示,团队下一步将着力研制功耗更低、体积更小的GaN纳米线气体传感器,并尝试做成传感芯片及气体检测仪。他们设想的最理想的情况是与集成电路芯片做在一起,感知、控制、处理信号完美结合,能得到更广泛的应用。

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