在室温下以高灵敏度检测呼出气体的半导体芯片

丰桥工业大学电气与电子信息工程学系三年级博士生高桥敏明(Toshiaki Takahashi)，副教授高桥一宏(Kazuhiro Takahashi)及其研究团队开发了一种使用半导体微加工技术的测试芯片，该芯片可以检测呼出气中的挥发性气体，ppm在室温下的浓度。当吸收气体时膨胀和收缩的聚合物形成在柔性可变形的纳米片上，并且测量当吸收目标气体时发生的变形量，从而可以高灵敏度检测气体。该测试芯片采用半导体微加工技术形成，尺寸为几平方毫米，有望作为物网气体传感器为远程医疗做出贡献，该传感器可轻松用于家庭进行呼气测试。

有测量呼吸和血液中特定分子的测试方法，这些方法是识别各种疾病的存在和发展程度的指标。其中包括通过呼吸测试的非侵入性测量，这是一种对患者负担低的疾病很有希望的测试方法，近年来引起了人们的关注。据报道，在糖尿病，肾衰竭，肺癌等情况下，呼出气中所含的挥发性有机化合物的浓度会增加，可以预期将测量这些实验室标记物用于患者筛查。

先前开发的半导体气体传感器具有在传感器上形成的膜，该膜的电阻和电容随着与气体的反应而变化，并且通过将膜加热到几百摄氏度来进行测量。然而，为了减少由于加热引起的外围电路中的温度升高，需要分开形成将加热部分与外围分开的结构，并且由于以下原因制造工艺的复杂性增加和单位面积的集成度降低。元素的隔离是个问题。此外，由加热引起的功耗增加也给物网设备中的应用带来了问题。

因此，研究团队开发了一种传感器，该传感器形成一种聚合物材料，当气体分子被吸收在薄的，可变形的纳米片上时，该材料会膨胀和收缩，并且可以根据片的变形量来测量目标气体的吸收量。所提出的传感器利用通过狭窄间隙的光增强的干涉特性来确定气体吸附的颜色变化。通过这种技术，实现了一种测试芯片，该芯片无需加热即可在室温下测量气体。而且，由于在改变形状的薄纳米片和半导体衬底之间形成了高达几百纳米的狭窄的亚微米气隙，因此该传感器可以在不增加面积的情况下提高灵敏度。

然而，很难在形成间隙的同时将薄纳米片融合在亚微米气隙上方，并且有必要开发新的制造工艺来实现该结构。因此，该团队着眼于在施加热量和压力时纳米纳米片具有很强的粘合性能。引入了一种新的制造工艺，其中粘附了两个不同的硅基板，然后移除了一侧上的基板，以创建具有约400纳米的亚微米气隙的传感器结构。与以几微米的间隙形成的传统传感器结构相比，已证明传感器响应提高了11倍，并且可以根据颜色变化确定由于气体吸附而导致的纳米薄板的变形。

此外，已证明开发的测试芯片可以检测乙醇气体(一种典型的挥发性有机化合物)的ppm浓度。浓度检测下限的性能与可以在室温下测量的最敏感的半导体传感器相当，并且与使用相同检测方法的传感器相比，检测性能提高了40倍，而每个元素的面积减少到1/150。该传感器有望用作小型便携式呼吸测试设备。

该研究小组计划证明使用他们开发的半导体传感器检测与疾病相关的各种挥发性气体的可能性。此外，他们的目标是构建一个用于呼吸监控的小型便携式传感器系统，该系统比传统的IoT气体传感器消耗的功率更少。