近年来，气体传感器在市场上的需求不断增加，在各行各业都有了进一步的渗透应用。光学气体传感器因其在精确度和长期运行稳定性方面具有多项优势而广受青睐，尤其是中红外（MIR）气体传感器为医疗保健、智能家居和汽车电子等行业提供卓越的气体探测性能。
为了适应更多新兴应用的需求，气体传感器必须向低成本、功能化、集成化、微型化、智能化等方向发展，如何实现性能与成本的平衡则变得极具挑战性。据麦姆斯咨询报道，近期，来自剑桥大学、Flusso公司、巴斯大学、埃克塞特大学和华威大学的研究团队，共同提出了一种基于CMOS-MEMS工艺的增强型碳纳米管（CNT）热发射器，通过将CMOS微型加热板（简称：微热板）与电介质封装的碳纳米管薄膜相结合，使得中红外光源实现了高度一致的发射率和长期运行稳定性，并且制造成本非常低。因此，为低成本、高度集成的中红外光谱应用提供了理想的解决方案。
上述研究团队利用与标准CMOS工艺兼容的钨微热板作为碳纳米管生长的微反应器，加工工艺简单，可集成度高，可适用于各种工艺的简化和优化。利用原位化学气相沉积（CVD）工艺集成碳纳米管夹层，在电介质封装的碳纳米管薄膜的隔离下，微热板可以轻松达到750℃的高温，且不会影响芯片衬底外围的CMOS电路功能。与传统MEMS热发射器相比，该热发射器对二氧化碳（CO2）的相对灵敏度提高了8倍，而且在整个中红外光谱波段显示出高度一致的发射率，这使得它在中红外光谱区域的各种低成本、低功耗和高容量光谱应用方面拥有更广阔的发展空间。
增强型碳纳米管CMOS-MEMS热发射器结构及制备
为了验证这款热发射器长期运行的稳定性，研究团队在正常室内条件下进行了测试工作。结果表明发射器在600℃温度下可连续运行10天，在高达900℃的温度下可运行数小时，且具备稳定可重复的发射光谱。在两项实验中，增强型碳纳米管CMOS-MEMS热发射器都显示出良好的工作稳定性。
增强型碳纳米管CMOS-MEMS热发射器在空气中的特性和稳定性测试
非色散红外（NDIR）气体传感器在CO2检测方面占据主导地位，为了测试中红外发射器在不同应用设置中的性能差异，研究团队通过专门定制的用于检测CO2的NDIR气体传感器，将增强型碳纳米管CMOS-MEMS热发射器与未涂覆碳纳米管薄膜的热发射器进行了对比测试，结果表明增强型碳纳米管CMOS-MEMS热发射器具有高度稳定的性能。
增强型碳纳米管CMOS-MEMS热发射器在NDIR气体传感试验中的性能对比
基于CMOS-MEMS工艺的电介质封装方法，有效实现了碳纳米管涂层热发射器的长期运行稳定性。该项研究为封装技术更广泛地应用于温度和空气敏感的纳米材料奠定了基础，随着光学技术和封装技术的进一步发展，未来将有更大的技术应用潜力。
该项目获得英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）、英国国家物理实验室（NPL）、皇家学会（Royal Society）的资金支持。研究成果已表于Scientific Reports期刊。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41598-021-02121-5
延伸阅读：
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