加州大学伯克利分校阿里·贾维教授Adv. Mater.：用于食物质量评估中痕量、多组分检测的硅基气湿敏场效应管阵列

引言

室温下的标志气体检测对于工农生产及物资仓储过程中的安保、质保具有重要的意义。但在实际检测中，多种待测气体往往混合存在于同一空间，且浓度极低，对气体检测造成了极大的困难。因此，为了实现标志性气体的有效检测，需要气体传感器具有高灵敏度、高选择性和低检测极限等特性。此外，面对当今电子产品与元器件的便携化、集成化趋势，气体传感器还需要具有小尺寸、低功耗等特点。为此，研究人员从不同工作原理与不同材料体系进行了大量研究，但大多由于工艺再现性等问题无法实现大批量生产，传统气体传感器存在的高温工作、基线漂移、尺寸较大等问题也阻碍了其进一步发展。

成果简介

近日，加州大学伯克利分校的阿里·贾维教授（通讯作者）与袁震（第一作者）等人基于场效应管结构，利用传统硅工艺技术制备了场效应管阵列。该制备方法与现代芯片制造工艺完全兼容，可实现晶圆级制备。在该研究中，针对食物变质检测这一应用场景，采用不同敏感材料对各单元分别进行修饰，制备了能够同时监测氨气、硫化氢与湿度的气湿敏场效应管阵列。该器件显示出良好的灵敏度与极低的检测极限，具有良好的选择性，各单元间交叉串扰响应与基线漂移较小，展示出优异的气敏检测性能。此外，基于器件性能参数，该研究设计了包括便携式信号读取输出电路与显示软件在内的多组分气湿敏检测系统。并应用于高蛋白食物的质量评估检测中。相关成果以“Trace‐Level, Multi‐Gas Detection for Food Quality Assessment Based on Decorated Silicon Transistor Arrays”为题发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

图文导读

图1 气湿敏场效应管的器件结构图

图2 气湿敏场效应管中各单元器件的动态响应与交叉串扰响应图

图3 气湿敏场效应管中各单元器件的重复性与选择性

图4 测试系统对不同温度下的鸡蛋变质实时检测结果图

图5 测试系统对不同温度下的猪腹肉变质实时检测结果图

小结

研究团队用设计并制备了具有高工艺兼容性、高敏感特性的的硅基气湿敏场效应管阵列，并针对应用场景设计了该阵列的敏感功能，实现了小尺寸、低功耗、高性能气体传感器阵列的晶圆级制备。结合后端电路与软件，构建了便携式气湿敏检测系统，实现了食物质量评估检测。该研究为气湿敏传感器的设计与制备提供了新思路，促进了气湿敏传感器的规模化生产与应用。

文献链接：Trace‐Level, Multi‐Gas Detection for Food Quality Assessment Based on Decorated Silicon Transistor Arrays（Adv. Mater. 2020, doi.org/10.1002/adma.201908385）

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