高通量、多組分的快速金屬/氧化物氣體傳感涂層篩選黑科技

在環境監測、工業安全、智能家居等領域，高效且可靠的氣體傳感器需求日益增長。然而，傳統傳感器常受限于靈敏度不足、選擇性差、功耗高以及復雜的生產工藝。如何突破技術瓶頸，打造下一代高性能氣體傳感器？答案或許就藏在 VSP-P1 納米打印沉積系統的創新技術中。

由于針對不同使用場景，提升金屬氧化物氣體傳感器的選擇性，靈敏度需要進行多種組分改變，從而獲得最佳性能。但隨著氣體傳感器向微小化發展，傳統的制備工藝并不適合進行大量的成分篩選，同時存在一致性問題。來自奧地利的萊奧本大學團隊的 Niels Schouten 與荷蘭 VSParticle 合作項目，針對多種氣體制備氧化物/金屬摻雜 MEMS 傳感器。 

01.VSP-P1 納米印刷沉積系統：火花燒蝕與慣性沖擊打印的融合

VSP-P1 納米印刷沉積系統由荷蘭 VSParticle 公司研發，基于火花燒蝕（Spark Ablation）與慣性沖擊打印（Inertial Impaction）兩大核心技術，為氣體傳感器制造提供了革命性解決方案：

• 火花燒蝕：通過高電壓火花燒蝕瞬間氣化金屬電極，生成超純納米顆粒（NP），可靈活混合金屬氧化物（如SnO?、NiO）、貴金屬催化劑（如Ag）等材料，實現“按需定制"的納米多孔層（NPL）。

   

• 慣性沖擊打印：將納米顆粒高速沉積于傳感器基底，無需光刻或刻蝕工藝，即可實現圖案化沉積。整個過程規避了化學污染，確保材料高純度與一致性，顯著提升傳感器性能。

02.VSP-P1 在氣體傳感器中的應用優勢

1. 高靈敏度和寬動態范圍

VSP-P1 技術制備的納米多孔層具有較高的比表面積，能夠顯著增強氣體分子與傳感器表面的相互作用。例如，在檢測甲醛氣體時，VSP-P1 制備的SnO?-Ag 傳感器在0.1 ppm濃度下表現出高達70% 的響應，而在 10 ppm濃度下，響應趨于飽和，顯示出優異的靈敏度和動態范圍。

2.  優異的選擇性和穩定性

通過在金屬氧化物中添加催化劑（如Ag），VSP-P1 技術能夠顯著提高傳感器的選擇性和穩定性。例如，NiO-Ag 傳感器在 0.1 ppm 甲醛濃度下表現出 20% 的響應，且在不同濃度下具有良好的重復性和穩定性。

3.  多組分檢測能力

VSP-P1 技術能夠制備多種不同的納米材料，這些材料可以集成在一個多陣列傳感器平臺上，實現對多種氣體的同時檢測。例如，一個傳感器平臺可以集成純金屬氧化物（SnO?和NiO）、二元合金（SnO?-NiO、SnO?-Ag和NiO-Ag）以及三元合金（SnO?-NiO-Ag），從而實現對不同氣體的高靈敏度和高選擇性檢測。

4.  簡化的制造工藝

VSP-P1 技術避免了傳統氣體傳感器制造過程中復雜的光刻和蝕刻步驟，從而減少了表面污染和提高了制造效率。此外，VSP-P1 技術可以在大氣壓下進行，進一步降低了制造成本。

圖1.利用 VSP-P1 在 MEMS 傳感芯片電極表面打印傳感納米多孔層

03.VSP-P1：火花燒蝕與慣性沖擊打印的融合

甲醛是一種常見的室內空氣污染物，對人體健康具有嚴重危害。VSP-P1 技術制備的 SnO?-Ag 傳感器在 0.1 ppm 甲醛濃度下表現出高達 70% 的響應，而在 10 ppm 濃度下，響應趨于飽和，顯示出優異的靈敏度和動態響應范圍。二元合金（SnO?-Ag）和三元合金（SnO?-NiO-Ag）傳感器在不同濃度下表現出優異的靈敏度和線性響應。

圖2基于不同的印刷NPL的氣敏性能金屬氧化物半導體的組成部分。(a)甲醛暴露的阻抗變化。(b)傳感響應程度

通過不同的納米粒子發生源，進行多組分納米多孔傳感層的打印，并用于測試氣體傳感性能。每個發生器可獨立進行靶材，功率的調控，從而獲得多樣化的材料組合。

表1：不同 NPL 材料的組成

表2：不同 NPL 材料對甲醛的響應范圍

04.小結

該工作主要測試了甲醛、氮氧化物和揮發性有機化合物的傳感效果，其中VSP技術制備的納米多孔層（NPL）在這些氣體的檢測中表現出優異的性能。特別是二元合金（SnO?-Ag）和三元合金（SnO?-NiO-Ag）傳感器在甲醛和氮氧化物的檢測中表現出高靈敏度和良好的線性響應。這些結果表明，VSP 技術通過集成不同納米材料的多陣列傳感器平臺，可以實現對多種氣體的同時檢測，提高傳感器的選擇性和靈敏度。在氣體傳感器領域具有廣闊的應用前景，可應用于多組分 MOS 涂層篩選，并在未來進行自動化生產。

型號推薦 VSParticle 納米氣溶膠沉積系統

VSP-P1 納米印刷沉積系統

VSP-P1 納米印刷沉積系統是 VSParticle 產品線中的設備，專為材料開發和小規模生產測試而設計。利用火花燒蝕材料的沖壓沉積技術，能夠實現從稀疏團聚體到厚達幾微米的連續層的不同層厚度印刷沉積。它的圖案化打印功能使得研究人員能夠在非半導體類的納米薄膜應用中實現精細的厚度控制。VSP-P1 在高效催化劑涂層膜的開發、電催化劑篩選和氣體傳感器研究中展現了其性能和靈活性。 

VSP-G1 納米粒子發生器

VSP-G1 納米粒子發生器是一臺桌面式儀器，可生成尺寸范圍為 1 – 20 nm 的純金屬、金屬氧化物、碳、半導體、合金納米氣溶膠材料。納米顆粒的生產采用純物理火花燒蝕技術制備，在氣相中進行，無需真空，無需使用表面活性劑或前驅體。用于納米粒子生產的源材料僅需材料制成所需的兩根靶材（電極），使用時只需安裝電極并設置參數，按下按鈕即可開始生成納米顆粒。 

VSP-S1 納米粒徑篩選沉積系統

VSP-S1 是 VSP-G1 的理想伴侶，它是一款用戶友好的納米粒子尺寸選擇器，能夠輕松篩選出 1-10nm 范圍內的單一尺寸顆粒。VSP-S1 納米粒徑篩選沉積系統提供 0.1nm 分辨率的精準控制；適用于原位 TEM 研究和尺寸依賴的效應研究；具備實時跟蹤功能，確保樣品一致性和可靠性。

參考文獻

【1】Sacco L N, Schouten N, Egger L, et al. Multiarray Gas Sensors Based on Nanoporous Layers Produced à la carte by Spark Ablation Using Metal Oxides, Binary and Ternary Alloys[C]//2024 IEEE SENSORS. IEEE, 2024: 1-4.