微波氣體傳感器（MGS）因其低功耗、非接觸式檢測(cè)和室溫工作等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。然而，傳感器的性能受到敏感材料和微波電路的限制。傳統(tǒng)的平面諧振器由于其電磁場(chǎng)分布特性，品質(zhì)因數(shù)較低，導(dǎo)致靈敏度有限。

近日，吉林大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種可重構(gòu)矩形波導(dǎo)MGS，在低濃度下實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

與平面諧振器相比，波導(dǎo)諧振腔具有更強(qiáng)的電磁場(chǎng)、更高的品質(zhì)因數(shù)和更大的敏感區(qū)域，有利于構(gòu)建高靈敏度的MGS。此外，腔體可用作氣室，簡(jiǎn)化傳感系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高矩形波導(dǎo)的靈敏度，該研究團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)矩形波導(dǎo)之間設(shè)計(jì)諧振窗，優(yōu)化波導(dǎo)電路的頻率選擇和品質(zhì)因數(shù)。諧振窗的長(zhǎng)為53.00 mm，寬為5.00 mm時(shí)，品質(zhì)因數(shù)，高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔對(duì)敏感材料吸附氣體引起的介電常數(shù)變化非常敏感。其中電(E)場(chǎng)集中在諧振窗中心，磁(H)場(chǎng)集中在諧振窗兩端，敏感材料的存在不會(huì)改變電磁場(chǎng)分布.

整體材料具有三維互連的大孔、中孔和微孔，有利于氣體吸附和擴(kuò)散，并且可以精確放置在腔體中的強(qiáng)電磁場(chǎng)區(qū)域。Al2O3整體材料豐富的酸性位點(diǎn)能夠有效結(jié)合堿性氣體，研究人員選擇Al2O3整體材料檢測(cè)NH?；為了進(jìn)一步增強(qiáng)NH?傳感性能，采用水熱法合成了In2O3/Al2O3整體材料，In2O3的負(fù)載增強(qiáng)Al2O3的電導(dǎo)率，并且提供更多氧空位（圖3I）作為氣體吸附活性位點(diǎn)。

該研究團(tuán)隊(duì)利用In2O3/Al2O3整體材料制備矩形波導(dǎo)MGS對(duì)NH3進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如下。In2O3/Al2O3可以檢測(cè)10 ppb ~ 10 ppm的NH3，且在濃度低于50 ppb時(shí)展現(xiàn)出高靈敏度（116.1 dB ppm-1）。為了進(jìn)一步拓寬傳感器的檢測(cè)范圍，該研究團(tuán)隊(duì)制備了不同質(zhì)量敏感材料的傳感器，0.2 g In2O3/Al2O3將檢測(cè)上限提高到800 ppm，但質(zhì)量的進(jìn)一步增加將導(dǎo)致檢測(cè)范圍降低。為了證明矩形波導(dǎo)MGS的可重構(gòu)性，研究人員通過更換三種組分的整體材料實(shí)現(xiàn)對(duì)NH3的連續(xù)響應(yīng)，表明其顯著的可重構(gòu)性，即更換對(duì)不同目標(biāo)氣體敏感的整體材料可以檢測(cè)不同氣體，實(shí)現(xiàn)了芯片式傳感。

電路的品質(zhì)因數(shù)和敏感材料的微觀結(jié)構(gòu)在傳感性能中起著至關(guān)重要的作用。因此研究人員基于分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和高品質(zhì)因數(shù)波導(dǎo)諧振腔分析了NH3傳感增強(qiáng)機(jī)理。矩形波導(dǎo)在TE10模式下工作，諧振窗是電感膜片和電容膜片的結(jié)合，將電磁場(chǎng)集中在諧振窗，位于窗口中心的敏感材料與高密度電磁波相互作用獲得高靈敏度。根據(jù)氣體擴(kuò)散理論，分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)有效增加敏感材料中氣體分子相對(duì)量；根據(jù)Maxwell-Garnett方程，氣體吸附量的增加引起有效介電常數(shù)顯著變化，最終增強(qiáng)傳感性能。

總而言之，研究人員引入了一種將波導(dǎo)腔和整體材料相結(jié)合制備傳感器的新方法，克服了平面諧振器靈敏度較低的問題，簡(jiǎn)化了傳感系統(tǒng)并提高了MGS的靈敏度。這種可重構(gòu)芯片式傳感器在實(shí)際氣體傳感應(yīng)用中具有巨大的潛力，該設(shè)計(jì)原則可以擴(kuò)展到其他整體材料用于氣體傳感。

來源：傳感器專家網(wǎng)