使用新的激光写入技术创建可穿戴微型气体传感设备

使用新的激光写入技术创建可穿戴微型气体传感设备

激光书写可以为多气体传感器启用“电子鼻”

首个适应性极强的微型气体传感装置由宾夕法尼亚州立大学工程学院工程科学与力学副教授程焕宇、埃伯利理学院化学助理教授 Lauren Zarzar 及其同事通过结合激光使用响应式传感器技术写作。

本月，研究人员在美国化学学会期刊《应用材料与界面》上发表了他们的技术。

“气体的检测对各个领域都至关重要，包括污染监测、公共安全保障和个人保健，”程焕宇说。“为了满足这些需求，传感设备必须体积小、重量轻、价格便宜且易于使用，并适用于各种环境和基材，例如服装或管道。”

程焕宇表示，挑战在于创建具有所需特性的设备，这些设备仍然可以根据所需的基础设施进行定制，以同时精确和准确地感应不同的目标气体。这就是 Zarzar 在激光书写方面的专长发挥作用的地方。

“激光书写技术为广泛的领域提供了设计自由，”Zarzar 说。“扩大我们对如何将新材料（尤其是纳米材料和纳米材料复合材料）直接合成、图案化和集成到复杂系统中的理解，将使我们能够创造出越来越复杂和有用的传感技术。”

由 Zarzar 的研究团队创建的激光诱导热体素技术允许同时生产金属氧化物并将其集成到传感器设备上。金属氧化物是引起各种分子与其反应，激活传感过程的物质。

激光诱导热体素工艺

研究小组开发了激光诱导热体素工艺，该工艺能够同时创建金属氧化物并将其直接集成到传感器平台中。金属氧化物是与各种化合物发生反应、触发传感机制的材料。通过激光书写，研究人员将金属盐溶解在水中，然后将激光聚焦到溶液中。高温分解溶液，留下可烧结到传感器平台上的金属氧化物纳米粒子。

该过程简化了以前的方法，这些方法需要计划图案的预定义掩码。任何更改或调整都需要创建一个新的面具——这既费时又费钱。根据 Zarzar 的说法，激光书写是“无掩模”的，并且当与热体素工艺结合使用时，它允许对多种设计或材料进行快速迭代和测试，以找到最有效的组合。

研究人员评估了目前用于传感器的五种不同金属和金属合金。Castonguay 声称异质结，或两种不同金属氧化物的相遇，在两种材料的界面处创造了一个特殊的环境，从而提高了气体传感器的响应能力。研究人员发现，与单独的氧化铜相比，氧化铜和氧化锌的异质结对测试气体（乙醇、丙酮、二氧化氮、氨和硫化氢）的反应性提高了 5 到 20 倍。

“这一发现支持了科学 献中的其他 告，即混合氧化物系统的创建可以显着提高传感器响应，并证明了激光诱导热体素技术在混合氧化物气体传感器制造中的有效性，”“我们希望通过将 Zarzar 集团的激光书写知识与程焕宇团队的可穿戴传感器专业知识相结合，我们将能够扩展我们的能力，以创造新颖、可定制的传感器。”Castonguay 说。