纳米机械气体传感器通过检测气体分子吸附引发的纳米级机械形变实现气体识别。其灵敏度、选择性和目标气体识别范围取决于传感器的结构设计、敏感材料选择以及材料沉积工艺。当前，主流的气体传感器（例如金属氧化物型、化学敏感型等）依赖敏感材料与特定目标气体的化学反应，导致检测选择性受限。由于传感机制涉及材料的不可逆化学变化，这类气体传感器通常易出现灵敏度衰减、重复性降低以及使用寿命缩短等问题。
据麦姆斯咨询报道，针对现有气体传感技术瓶颈，日本东北大学（Tohoku University）、美国匹兹堡大学（University of Pittsburgh）等机构的研究团队提出一种基于狭缝结构的纳米机械气体传感器阵列，通过精密微加工工艺制备而成，具有多重检测功能。该气体传感器通过埋置聚合物产生的应力集中效应，在压阻传感元件中实现应变转化，其灵敏度在同类器件中处于领先水平。相关研究成果以“Investigation towards nanomechanical sensor array for real-time detection of complex gases”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在这项工作中，研究人员开发了一种集成压阻检测单元的纳米机械气体传感器阵列，并对其性能进行了表征。该传感器采用硅-聚合物复合结构，通过绝缘体上硅（SOI）晶圆集成压阻传感元件，可将气体吸附引发的聚合物体积变化产生的应力转化为电信号。在传感器制备过程中，通过将聚合物A（聚烯烃）、B（氟碳聚合物）、C（丙烯酸树脂）和D（氨基聚合物）沉积在硅基狭缝结构中，以实现对多种气体的差异化响应。
图1 本研究提出的气体传感器阵列示意图及其传感原理
图2 气体传感器电路设计、制造和评估系统
经实验验证，该气体传感器阵列展现出毫秒级响应速度与快速恢复能力，在多次气体暴露-关闭循环中能够保持卓越的重复性与灵敏度，为实时多组分气体/气味监测提供了创新解决方案。通过长达数天的鱼类品质监测实验，验证了其在易腐品最优储存方案制定以及腐败早期预警中的应用潜力。结合主成分分析（PCA）法，该气体传感器阵列可精准区分不同气体浓度，为无需人工干预的实时自动化多气体检测分析奠定了基础。
图3 不同聚合物基气体传感器的响应特性
图4 聚合物基气体传感器分子扩散和吸水动力学特性
图5 主成分分析（PCA）法用于气体浓度和复杂气体成分分析
综上所述，这项研究工作展示了单芯片集成悬浮式纳米机械气体传感器阵列的基本特性，验证了集成四种功能聚合物的气体传感器在灵敏度、重复性和响应速度等方面的优异性能，并探索了其在混合气体识别及食品新鲜度监测领域的应用潜力。该气体传感器阵列未来有望在食品工业、医疗诊断、环境监测及工厂异常检测等领域展现出应用价值。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00899-2
