室温下检测呼出气体的高灵敏度半导体芯片

有一些检测方法可以测量呼吸和血液中的特定分子，这些分子是识别各种疾病的存在和发展程度的指标。其中，通过呼气检测进行无创测量，是近年来备受关注的一种有前景的检测方法。

以前开发的半导体气体传感器在传感器上形成了一层薄膜，其电阻和电容在对气体的反应中发生变化，通过将薄膜加热到几百摄氏度来进行测量。但是，为了减少因加热而导致的外围电路的温度上升，需要将加热部分与外围分开的结构单独形成，并且由于元件的隔离，制造工序的复杂度增加，单位面积的集成度就会降低。另外，加热造成的功耗增加也给物联网设备的应用带来了问题。

丰桥工业大学电气电子信息工程系研究人员利用半导体微机械加工技术开发了一种检测芯片，可以在室温下检测呼出的气体中浓度为ppm级别的挥发性气体。在可灵活变形的纳米片上形成吸收气体时膨胀和收缩的聚合物，测量吸收目标气体时发生的变形量，可以高灵敏度地检测气体。该检测芯片是利用半导体微加工技术形成的几平方毫米大小的检测芯片，作为物联网气体传感器，可方便地用于家庭中的呼吸检测，有望为远程医疗做出贡献。

研究团队开发的传感器，它能在薄而可弹性变形的纳米片上形成一种高分子材料，当气体分子被吸收时，该材料会膨胀和收缩，它能以片材的变形量来测量目标气体的吸收量。所提出的传感器利用光透过狭窄间隙的干涉特性，以颜色变化来判断气体吸附量。利用该技术，实现了一种不需要加热机构就能在常温下测量气体的测试芯片。而且，这种传感器由于在改变形状的薄型纳米片和半导体基板之间形成了高达几百纳米的窄小亚微米气隙，可以在不增加面积的情况下提高灵敏度。

不过，在形成间隙的同时，要将亚微米以上的薄型纳米片合并起来是非常困难的，必须开发一种新的制造工艺来实现该结构。因此，该团队重点研究了纳米薄片在受热和加压时的强粘性。引入了一种新的制造工艺，即粘附两块不同的硅基片，然后去除一侧的基片，以制造出具有约400纳米亚微米气隙的传感器结构。与传统的以几微米的间隙形成的传感器结构相比，证明传感器的响应提高了11倍，并且可以用颜色变化来判断薄纳米片因气体吸附而产生的变形。

此外，开发的检测芯片还可以检测出典型的挥发性有机化合物乙醇气体，浓度为ppm。较低的浓度检测极限在性能上等同于能在室温下测量的最灵敏的半导体传感器，与使用相同检测方法的传感器相比，检测性能提高了40倍，而单个元件的面积减少到1/150。该传感器可望作为一种小型、便携的呼吸检测设备使用。

研究小组计划证明利用他们开发的半导体传感器来检测与疾病有关的各种挥发性气体的可能性。同时，他们的目标是构建一个小型、便携式的呼吸监测传感器系统，该系统的功耗比传统的物联网气体传感器更低。