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挑战杯二等奖:气体传感技术的“骐骥一跃”

来源:记者团 点击次数:337次 发布时间:2015-12-19 12:00:44 编辑:王思远 见习编辑 常璇

  ■记者团 张轩鸣


  在11月4日到6日美国加州举行的2015年微机电产业高峰会(MEMS Executive Congress 2015)上,英国剑桥CMOS传感器公司展示了世上第一款足以用于任何智能手机的气体传感器。该传感器体积为1平方毫米且价格便宜,足以在市场上普及。这也使苹果用于智能手机的新型MEMS传感器首次遭受打击。


  未来,高灵敏,低功耗和低检测限的气体检测器逐渐成为趋势。我校光电学院学生成功制备了高灵敏、低功耗、低检测限的环境气体传感器,实现了技术突破和性能提升,电子科技大学光电信息学院院长蒋亚东教授评价,“该气体传感器在工作温度及灵敏度方面都表现出较高的技术水平。”


  2015年11月16日至20日,由我校光电学院硕士三年级徐宋曼牵头申报的《基于量子点的高灵敏、低功耗环境气体传感器》,在第十四届“挑战杯”中航工业全国大学生课外学术科技作品竞赛获得二等奖。


  光电学院的同学们就像一位位“伯乐”,为了气体传感这条“征途”,挑选了最佳的“千里马”——量子点。“这款传感器的特点除了高灵敏,低功耗,低检测限,还有一点比较重要的是,它是在低温下制备的,并且是在低温下工作的,最低可以达到室温下。”团队成员光电学院2012级本科生魏泽如说。


  据魏泽如介绍,该传感器应用胶体量子点,作为一种新型气敏材料,具有晶粒细小、室温成膜性能优良且物化特性可控的特点,利用其对低浓度目标气体的高灵敏响应特性可以有效降低其工作温度和探测限,实现高灵敏、低功耗、低检测限的环境气体传感器的成功制备。


  俗话说的好,“好马配好鞍”,在量子点的外层也凝结了诸多创新。该传感器运用了无机盐配体置换处理技术和薄膜级溶液级复合方式提高了电子迁移率,还利用复合薄膜高电导率实现了实现“无电极式”传感器制作,降低了制备成本,简化了制备流程。


  该气体传感器与同类实验室研究相比,无论是在工作温度、灵敏度、响应恢复特性方面都具有很高的技术水平;而与市售商品相比,则具有更低的探测限,可适用于更多的场合。上海大学化学系徐甲强教授认为其“具有创新性、先进性和应用前景”。


  现在,好马好鞍都齐全了,让我们看它如何策马奔腾的吧:当二氧化氮和硫化氢气体进入传感器,与半导体式气敏元件表面的活性物质发生氧化还原反应,产生的电子或离子导电,使导电介质浓度发生变化,从而使电阻发生变化进而反映气体浓度变化。


  该项目有三大应用前景:首先,它提供了高灵敏、低功耗、低检测限的新型气体传感器,面向大气污染气体,可以实现实时在线检测和监控,避免了传统的取样和离线检测,可靠性更高,也更便携;在可燃性和爆炸性气体检测方面具有更高的安全系数;特殊的气敏效应决定其具有更好的选择性,交叉敏感度低,更有利于识别气体成分。


  其次,是还可移植无机盐配体置换处理技术和无电极式传感器制备技术,可望应用于纳米敏感材料和复合敏感材料气体传感器领域的研究中。最后,是该项目体系既可以兼容现有产业平台,加速传统分立式气体传感器的升级换代,也能与MEMS,柔性等平台兼容,满足物联网行业智慧城市等以及电子皮肤等新的需求。


  目前,该项目团队与中国工程物理研究院化工材料研究所就“量子点氮氧化物气体传感器”签订合同协议,未来用于爆炸检测(氮氧化物)、文物保护;与河南汉威电子股份有限公司挂牌华中科技大学传感器研发中心;与武汉优乐光电科技有限公司达成合作意向。


  “我们想做自己的系统,传感器只是一个系统最重要的灵魂,你需要做一个完整的系统,它能够处理传感器的信号,能检测,能把浓度显示出来,这后端是一个相当于产品化的过程,把你最重要的零件应用起来。”魏泽如这样计划未来的发展方向,他说,想达到这一目标,至少需要半年。