微波气体传感器（MGS）因其低功耗、非接触式检测和室温工作等优势而受到广泛关注。然而，传感器的性能受到敏感材料和微波电路的限制。传统的平面谐振器由于其电磁场分布特性，品质因数较低，导致灵敏度有限。
近日，吉林大学的研究团队提出了一种可重构矩形波导MGS，在低浓度下实现高灵敏度。2024年5月21日，相关研究成果以“A reconfigurable monolith chip-type microwave gas sensor for ultrasensitive NH3 detection”为题发表在Matter期刊上。论文通讯作者是金泉、王小龙、卢革宇，（共同）第一作者是徐菊花、齐健。
图1：矩形波导微波传感器的制备。
与平面谐振器相比，波导谐振腔具有更强的电磁场、更高的品质因数和更大的敏感区域，有利于构建高灵敏度的MGS。此外，腔体可用作气室，简化传感系统。为了进一步提高矩形波导的灵敏度，该研究团队在两个矩形波导之间设计谐振窗（图1），优化波导电路的频率选择和品质因数。谐振窗的长为53.00 mm，宽为5.00 mm时，品质因数最高，高品质因数的谐振腔对敏感材料吸附气体引起的介电常数变化非常敏感。其中电(E)场集中在谐振窗中心，磁(H)场集中在谐振窗两端，敏感材料的存在不会改变电磁场分布（图2A和B）。
图2：矩形波导谐振腔的电磁场分布（A：无敏感材料，B：有敏感材料）。
整体材料具有三维互连的大孔、中孔和微孔（图3），有利于气体吸附和扩散，并且可以精确放置在腔体中的强电磁场区域。Al2O3整体材料丰富的酸性位点（图3F）能够有效结合碱性气体，研究人员选择Al2O3整体材料检测NH3；为了进一步增强NH3传感性能，采用水热法合成了In2O3/Al2O3整体材料，In2O3的负载增强Al2O3的电导率（图3C），并且提供更多氧空位（图3I）作为气体吸附活性位点。
图3：材料表征。(A和D) Al2O3和 (B和E) In2O3/Al2O3的SEM图；(C) Nyquist图；(F) NH3-TPD图谱；(G) SEM-EDS图；(H) XRD图；(I) XPS O 1s图谱。
该研究团队利用In2O3/Al2O3整体材料制备矩形波导MGS对NH3进行检测，测量结果如下。In2O3/Al2O3可以检测10 ppb ~ 10 ppm的NH3（图4A），且在浓度低于50 ppb时展现出高灵敏度（116.1 dB ppm-1）（图4B）。为了进一步拓宽传感器的检测范围，该研究团队制备了不同质量敏感材料的传感器，0.2 g In2O3/Al2O3将检测上限提高到800 ppm，但质量的进一步增加将导致检测范围降低。为了证明矩形波导MGS的可重构性，研究人员通过更换三种组分的整体材料实现对NH3的连续响应，表明其显著的可重构性（图4D），即更换对不同目标气体敏感的整体材料可以检测不同气体，实现了芯片式传感。
图4：矩形波导MGS的性能。(A) Al2O3、In(OH)3/Al2O3、In2O3/Al2O3对NH3的响应；(B)检测范围与灵敏度的关系；(C) 选择性；(D) 可重构性。
电路的品质因数和敏感材料的微观结构在传感性能中起着至关重要的作用。因此研究人员基于分级多孔结构和高品质因数波导谐振腔分析了NH3传感增强机理。矩形波导在TE10模式下工作，谐振窗是电感膜片和电容膜片的结合，将电磁场集中在谐振窗，位于窗口中心的敏感材料与高密度电磁波相互作用获得高灵敏度（图5ⅰ）。根据气体扩散理论，分级多孔结构有效增加敏感材料中气体分子相对量（图5ⅲ）；根据Maxwell-Garnett方程，气体吸附量的增加引起有效介电常数显著变化（图5ⅱ），最终增强传感性能。
图5：矩形波导微波NH3传感机制。
总而言之，研究人员引入了一种将波导腔和整体材料相结合制备传感器的新方法，克服了平面谐振器灵敏度较低的问题，简化了传感系统并提高了MGS的灵敏度。这种可重构芯片式传感器在实际气体传感应用中具有巨大的潜力，该设计原则可以扩展到其他整体材料用于气体传感。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.04.040
