近期，中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所與中科院上海微系統研究所的相關課題組合作，提出將微/納結構有序多孔薄膜與基于微電子機械加工（MEMS）技術的微型基板相結合的思路，成功地實現了高性能電阻型薄膜氣敏器件。這種新型器件響應速度快、功耗小、結構穩定、制作重復性好，并且顯示出了大批量規模化生產的潛力，具有實用推廣價值。

氧化物（半導體）電阻型薄膜氣體傳感器，由于其成本低廉、制作簡單、使用方便及兼容性好等優點，在許多領域有著廣泛的應用。然而，由于自身結構與原理所限，其響應速度慢、靈敏度低、功耗高，一般只能應用于一些中、低端領域，無法用于高端領域。發展用于高端領域的高性能氣敏器件，一直是人們所追求的目標與面臨的挑戰。這里所謂的高性能，是指氣體傳感器具有高的靈敏度（檢測極限達ppb量級）、快的響應（秒量級）與恢復速率、低的功耗（可電池驅動、長期使用）、高的穩定性及良好的選擇性等。薄膜的氣敏特性，不僅取決于所使用的氣敏材料的表面物理、化學特性，而且也與薄膜的厚度、微結構直接相關。由納米單元構成的氧化物氣敏薄膜，由于表面－體積比大，故有更好的氣敏性能，近年來已引起較廣泛的關注，并有許多研究報道。然而，這些由納米單元構成的薄膜，大多采用簡單的人工刷涂或沉積所制備，器件之間的個體差異性無法避免，薄膜微結構及其均勻性等也無法進行有效控制與調控，進而薄膜的氣敏參數難以實現人為控制和按需調整。

針對這些問題，固體所科研人員近年來發展了基于有機模板的微/納結構有序多孔薄膜的制備技術，并將其引入電阻型薄膜氣敏器件的研究，很好地解決了薄膜微結構的可控性、均勻性、一致性、穩定性，以及薄膜氣敏器件制作的可重復性等一系列問題，實現了氣敏特性的結構增強與按需調控等。相關結果已在《先進材料》（Adv. Mater., 2005, 17, 2872）、《材料化學期刊》（J. Mater. Chem., 2009, 19, 7301）、《美國化學學會納米》（ACS Nano, 2009, 3, 2697）、《先進功能材料》（Adv. Funct. Mater., 2010, 20(21), 3765-3773）等發表。然而，總的來說這類薄膜器件的氣敏效能（靈敏度、響應速率、功耗等）仍然遠未達到高性能的要求。

最近，與中科院上海微系統研究所的相關課題組合作，固體科研人員提出將微/納結構有序多孔薄膜與基于微電子機械加工（MEMS）技術的微型基板相結合的思路，成功地實現了高性能電阻型薄膜氣敏器件。首先，基于微加工技術，設計出一種新型的三明治結構的微型基板（圖1A），集成了微型加熱器與10微米間距的叉指電極；進而通過所發展的有機膠體模板溶液浸漬－無損轉移的薄膜器件構建策略，在微型基板上實現了氧化物微/納結構有序多孔薄膜的原位合成,構建了新型的氣敏器件（圖1B）；實驗分析表明，氧化物微/納結構有序多孔薄膜與微型基板兩者間具有良好的結構與工藝兼容性（圖2）。以氧化錫薄膜對乙醇氣敏為例，這種新型器件展現出高性能氣敏特性：秒量級的快速響應、十億分之一量級的檢測極限與10毫瓦量級的低功耗（圖3）。重要的是，這類器件結構穩定、制作重復性好，并且顯示出了大批量規模化生產的潛力，因此具有實用推廣價值。

這項工作，將為下一代小型化/集成的高性能氣體傳感器設計與研制提供了新途徑，并為將電阻型薄膜氣體傳感器的應用領域拓展至高端領域（即：要求快速響應、高靈敏、低功耗等的領域，如公共安全領域的高毒性氣體的痕量監測及智能傳感網等）提供了近期可實現性。

相關研究結果已于4月17日在《科學報告》（Scientific Reports, 3, 1669, 2013）上發表。

上述研究得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金重點項目的支持。

圖1:基于MEMS技術的微型基板結構示意圖（A）與有機膠體模板溶液浸漬－無損轉移的薄膜器件構建策略（B）。右側為對應的實物照片。

圖2：基于微型基板的微/納結構有序多孔薄膜器件照片。（A）：氧化錫單層微/納結構有序多孔薄膜器件實際照片；（B）: 器件工作區的掃描電鏡照片，多孔薄膜在基板與叉指電極的表面上（標尺為20微米）；（C）：對應于（B）圖中矩形框區域（跨越電極的區域）的放大圖（標尺為500納米）。

圖3：圖2所示的器件對乙醇的氣敏測量結果（工作溫度：350oC）。（A）：3ppm時的響應曲線（響應時間小于1秒）；（B）對不同濃度（100 ppb~500ppb）乙醇的氣敏響應曲線（連續測量）；（C）：靈敏度與乙醇氣氛濃度關系。