據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，日本研究人員研發(fā)出一種具有高靈敏的四通道納機(jī)械（nanomechanical）氣體傳感器，可以在幾秒鐘內(nèi)檢測(cè)到工業(yè)氣體泄漏。該傳感器采用多種功能性聚合物來(lái)快速監(jiān)測(cè)痕量的多種目標(biāo)氣體。通過(guò)改變所使用的聚合物，該傳感器還可以很容易地適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域，從食品和飲料生產(chǎn)和化學(xué)工藝中的質(zhì)量控制，到通過(guò)呼吸分析對(duì)多種健康狀況進(jìn)行無(wú)創(chuàng)診斷。

這種多功能氣體傳感器可用于檢測(cè)工業(yè)氣體泄漏

該多功能氣體傳感器是日本三井化學(xué)公司（Mitsui Chemicals）功能聚合物設(shè)計(jì)專家與日本仙臺(tái)東北大學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)者之間持續(xù)合作的產(chǎn)物。

“我們緊密合作設(shè)計(jì)了一種高度靈敏的氣體傳感器。”日本東北大學(xué)工程研究生院教授Takahito Ono說(shuō)道，“我們的納機(jī)械傳感器與其它氣體傳感器的設(shè)計(jì)完全不同。”

該傳感器的核心是一個(gè)集成四個(gè)硅框架的芯片，該硅框架上具有梳狀的狹縫陣列。不同的功能聚合物嵌入每個(gè)框架的狹縫中。當(dāng)聚合物從空氣中吸收氣體分子時(shí)，其會(huì)發(fā)生膨脹效應(yīng)，從而在硅框架的一側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力。然后，敏感單元又將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能——產(chǎn)生電流。這種傳感器設(shè)計(jì)可確保大多數(shù)目標(biāo)氣體的可檢測(cè)濃度低于bbp級(jí)別。

四通道聚合物設(shè)計(jì)還允許同時(shí)檢測(cè)多種目標(biāo)氣體。每種聚合物的獨(dú)特溶脹響應(yīng)會(huì)在芯片中產(chǎn)生電信號(hào)的特征模式，該傳感器將其與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較以識(shí)別存在的氣體。

日本三井化學(xué)的科學(xué)家掌握的聚合物專業(yè)知識(shí)是該傳感器實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。“我們非常了解氣體和聚合物之間的相互作用，因此對(duì)于大多數(shù)目標(biāo)氣體組合，我們只需要四個(gè)通道即可。”三井化學(xué)研發(fā)中心Mai Kurihara Yamazaki解釋道，“我們可以預(yù)測(cè)每種聚合物如何與氣體發(fā)生反應(yīng)，因此可以定制傳感器以檢測(cè)不同的目標(biāo)氣體，并確定存在的氣體類型和濃度。”

集成納機(jī)械氣體傳感器的產(chǎn)品原型

Mai Kurihara Yamazaki補(bǔ)充說(shuō)，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的傳感技術(shù)相比，該傳感器具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。“傳統(tǒng)的氣相色譜法靈敏度高，但檢測(cè)速度相對(duì)較慢，必須由專業(yè)用戶操作，而且檢測(cè)某些目標(biāo)氣體（例如胺和硫化物）可能具有挑戰(zhàn)性。”她繼續(xù)說(shuō)道，“我們的多功能納機(jī)械傳感器可以實(shí)時(shí)工作，不需要訓(xùn)練有素的操作員，并且可以使用我們開(kāi)發(fā)的算法處理高度復(fù)雜的混合物。”

對(duì)于許多應(yīng)用而言至關(guān)重要的是，該氣體傳感器甚至可以在高濕度條件下運(yùn)行。“傳統(tǒng)的半導(dǎo)體傳感器對(duì)水非常敏感。”Mai Kurihara Yamazaki表示，“如果您嘗試在高濕度下使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體傳感器，可能會(huì)得到不準(zhǔn)確的讀數(shù)，并且會(huì)縮短傳感器的使用壽命。”

為了最大限度地減少濕度問(wèn)題，可以選擇該納機(jī)械傳感器中四通道聚合物中的一種來(lái)監(jiān)測(cè)濕度水平，以便傳感器可以自動(dòng)消除濕度波動(dòng)影響。

“我們的合作伙伴正在繼續(xù)提高該傳感器的性能，下一代原型將于2022年底完成。我們團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)非常互補(bǔ)。”Mai Kurihara Yamazaki說(shuō)道。