1微秒即可切换功能的低能耗小型气体传感器

新技术 2019年01月29日
日本语

日本庆应义塾大学理工学部的内田建教授开发出了配备于智能手机等移动终端的低能耗气体传感器,可通过呼气进行健康管理。通过控制气体传感器的电压,只需1微秒即可切换检测的物质,能识别多种不同的气体。

1微秒即可切换功能的低能耗小型气体传感器

检测呼气中包含的分子,利用移动终端进行健康管理

人呼出的气体中包含100多种气体成分,不仅是人体的代谢活动,气体的成分还与口腔细菌和肠道细菌的活动密切相关。气体不仅作为人体的代谢物被排放,人们摄取的食物等被细菌分解后,作为其代谢物,也会有气体排放。如果能在日常生活中测量这些气体的种类和浓度,就极有可能用于健康管理。

#

庆应义塾大学理工学部的内田建教授就从这个观点出发,开始研发可配备于移动终端的小型、轻量、低能耗气体传感器。不过,要想真正配备于移动终端,还需要解决一些问题。

内田教授介绍说:“要想配备到移动终端上,不仅需要能够高精度识别气体分子,还必须是以低能耗工作的小型传感器。因此,采用了能以纳米(1纳米为10亿分之1米)尺寸自由操作物质的纳米技术和LSI制造技术,一举实现了小型节能和高性能化。”

采用纳米级材料,能耗降至10亿分之1

以往的气体传感器是通过引起化学反应来检测是否存在某种气体分子,因此需要将传感器部分加热到250度左右,直接导致了高能耗。解决这个问题的就是所采用的纳米级材料。

电流通过金属等导体时,因电阻而产生焦耳热。利用这种焦耳热为自己加热的过程就是焦耳自加热。

内田教授介绍说:“一般来说,材料变成纳米级时,热传导率会降低,热容量也会减小,因此利用焦耳自加热就能达到足够的温度。由于是在非常短的时间内达到高温,可以大幅降低能耗。”

同为CREST研究成员的日本九州大学柳田刚教授也主导开发过采用数十纳米级导线的传感器,利用以往的气体传感器约10亿分之1的能耗就成功产生了化学反应(图1)。不过,这款传感器只能识别被氧化的分子,还难以确定分子的种类。

悬空纳米线传感器

悬空纳米线传感器

做在塑料基板上的元件

做在塑料基板上的元件

图1:采用纳米线的气体传感器。通过加热氧化锡纳米线,周围的气体被氧化锡氧化,纳米线的电导率发生变化。利用这种变化可以检测出是否存在某类气体。

瞬间调节石墨烯的温度,一个传感器具有两种功能

内田教授开发的传感器也利用了焦耳自加热原理,不仅可以检测呼气中含有的微量氢气,还能以1微秒(100万分之1秒)的速度切换到水分检测。肉眼无法捕捉到的蚊子振翅的频率为每秒800次左右,对照蚊子的振翅频率也许能体会到切换速度之快。

为什么需要如此快的切换速度?内田教授表示:“1个传感器只能检测1种分子时,使用的传感器数量需要与想识别的分子种类的数量相同。而应用于移动终端的话,希望能利用1个传感器检测多个分子。虽然很难用1个传感器同时检测1次呼气中含有的多种成分,但如果能以超高速度切换检测对象,就可以获得与之相近的数据。”

内田教授把着眼点放在了焦耳自加热能瞬间切换温度的特点上。化学反应分为容易在高温下发生的反应和容易在低温下发生的反应。以往的传感器进行加热需要时间,因此都是在恒定温度下使用,但如果能瞬间切换温度,就可以在不同的温度下使用传感器。

内田教授从这一想法出发,着手开发了采用石墨烯的传感器。石墨烯只有分子级的厚度,采用这种材料制作的元件,即使是吸附微量分子产生的表面变化,也能以高灵敏度检测出来。但另一方面,石墨烯的导热率较高,因此存在热量容易散发掉的缺点。需要设法保存住温度瞬间上升产生的热量。

内田教授介绍说:“为了避免热量散发到周围的物质中,用石墨烯桥接了两个金电极。另外,通过在金电极表面形成微细的凹凸,减小金电极与石墨烯的接触面积,使热量瞬间集中到了石墨烯上。”(图2)

1微秒即可切换功能的低能耗小型气体传感器

图2:石墨烯传感器的扫描型电子显微镜照片。
采取用石墨烯在金电极之间搭桥的结构。

用来检测氢气的是涂在石墨烯上的纳米尺寸的钯催化剂。温度升高到100℃以上后,催化活性增强,氢分子分裂并在钯与石墨烯的界面电离,电阻会发生变化,由此可以检测氢气(图3)。此时,水分子从钯中蒸发掉,因此,即使是含有大量水分的呼气,也能从中检测出含有的微量氢气。而在低温下,水分子不会蒸发分离,根据电阻发生的变化可以检测水分。

1微秒即可切换功能的低能耗小型气体传感器
1微秒即可切换功能的低能耗小型气体传感器

图3:在石墨烯上涂覆了钯催化剂的纳米颗粒。在低温下,催化剂的活性消失,钯周围的氧中容易附着水分。而在高温下,吸附的水分随着热反应蒸发分离,同时钯催化剂被激活,附着的氢变成氢离子。根据石墨烯的电阻值变化检测分子。通过焦耳自加热效应控制催化剂的活性和非活性,由此切换检测物质。

内田教授说:“仅通过改变电压的单纯操作,就能使温度一下子升降100℃以上,只需1微秒左右即可切换功能。虽然削减传感器尺寸、集成多个传感器也很重要,但现在已经明确通过高速切换温度,用1个传感器也能分离多种气体进行检测,所以我很期待扩大新的可能性。”

集成催生新价值,实现感受世界的LSI

这种气体传感器除了用于健康管理外,还能用来检测空气中含有的污染物质等。除此之外,也可以用来检测食物的新鲜度和腐烂情况,或用于反恐对策等,用途非常广泛。

内田教授表示:“在持续研究LSI的过程中培养的信念是,数量即力量。集成化会催生新的价值。此前气体传感器一直未实现集成化,不过,通过使用纳米材料,推进小型化和节能化,就能实现集成。至于今后能由此而催生什么样的新价值,我自己也非常期待。”

以前,LSI一直被认为是用来计算和存储的。内田教授的梦想是制作出能感受世界的LSI。不单单是针对输入的问题给出答案,未来LSI还将与外界连接收集信息。传感器研究是为此而迈出的第一步。

内田教授和田中助教在测量室内

内田教授和田中助教在测量室内。

内田 建: 庆应义塾大学理工学部教授。1995年获得东京大学研究生院工程系研究科硕士毕业,2002年在东京大学取得工学博士学位。1995年进入东芝研发中心工作。2003-2005年任美国斯坦福大学研究员。2008年担任东京工业大学研究生院理工学研究科副教授,2012年起任现职。2018年起兼任东京大学研究生院工程系研究科教授。

供稿:JSTnews 2019年1月号
翻译·编辑:JST客观日本编辑部

日文发布全文 [PDF]

相关阅读