金屬氧化物半導體（mos）是氣體傳感器“成本/尺寸”的最佳權衡技術。在過去數十年中，低成本微電子機械系統（mems）的發展與快速商業化，催生了基于懸浮熱板結構的微型mos氣體傳感器的產生與多種新型納米敏感材料在其上的應用。與傳統陶瓷管等mos氣體傳感器相比，mems傳感器具有體積小、能耗低、集成度高、適于批量化生產等優點。但與此同時，當氣敏元件核心電極區域從毫米級宏觀尺度延伸到微米級介觀尺度后，敏感材料在微結構基底上的定域、可控、穩定組裝也就變得愈發困難。不良品控將導致器件無法發揮mems穩定一致的工藝優勢，使其在現實復雜場景中所提供的信號有效性、可靠性大打折扣，嚴重影響后期數據挖掘。同時，納米材料所特有的表面效應、尺寸效應等本征特性，以及材料/器件跨尺度耦合引起的協同性質也將難以順利涌現。因此，解決由于材料品控不良與自身性能變化引發的信號一致性波動偏差，以準確反映傳感材料器件真實氣-電響應特性變得尤為重要。

對此，西安交通大學趙宇鑫課題組與中科院物理所梁文杰課題組合作，系統考察了傳統方法集成材料芯片“device-to-device”和“run-to-run”非一致性產生的根源。在整理wo3納米線材料微懸浮熱板芯片對h2s傳感測試數據過程中，偶然發現工作溫度下器件的rair（空氣中初始電阻）與rgas-rair（目標氣氛電阻與初始電阻之差）間存在著強線性關聯關系（圖1）。統計數據來自多個隨機挑選的mems器件，每個樣品都在完全一致的氣氛環境和工作條件下進行了9次平行循環試驗，其中循環的間隔設置為1天，以對應真實工況下單兵傳感設備的日常開關機操作習慣?？梢园l現，盡管器件間及其不同循環過程中獲得的信號存在較大波動，但將所有統計結果按照橫坐標rair、縱坐標rgas-rair進行擬合時，它們均可落在一條斜率為k的直線上。有趣的是，這一統計現象在基于mems微熱板的多種經典材料器件中（包括zno納米顆粒、fe2o3微米顆粒、sno2納米花、二維石墨烯等），多種氣氛環境下（乙醇、氨氣、丙酮、硫化氫等），以及不同電極體系中（薄膜叉指電極、懸浮熱板電極等）均廣泛存在，表現出較強的普適性特征。

圖1 隱含在mems氣體傳感器件性能波動偏差后的線性關聯

研究還發現，該普適性線性關系的斜率k可隨氣氛濃度改變而變化，在一定程度上能夠用于歸一化校準。一方面，與傳統的“靈敏度-濃度”關聯類似，“k-濃度”關聯同樣會受制于材料對氣氛的耐受能力：在最低檢測限濃度以下，k→0，無響應；高于最大耐受濃度，k→1，也無響應。另一方面，如果材料器件“靈敏度-濃度”線性范圍很寬，但是“k-濃度”線性范圍卻很窄，這就意味著該類材料器件的表觀性能數據雖然漂亮，但是很難進行歸一化，實用價值需要商榷。原位環境開爾文探針測試結果顯示，統計線性關聯聚攏度的優劣與敏感材料-電極基底間的肖特基勢壘高度（shb）存在緊密的依賴性，對于shb高、接觸電阻（rc）在材料器件總電阻（r總=rc+r材料）中占比（θ）大的樣品，數據離散度高（混亂度大）；shb低、θ小的樣品，線性聚攏度好。因此，研究初步得出結論，檢驗氣敏材料器件質量的，不在于所測得的某幾次表觀優/劣性能，而應在于材料/電極基底之間的匹配性——半導體材料的電負性與金屬電極功函數復配性越好，接觸電阻在器件總電阻中的占比越低，特別是歐姆接觸的構建，將有利于介觀材料本征優勢的涌現，提高器件的一致性；還在于材料晶粒/晶粒間肖特基勢壘變化率與結構、化學穩定性之間的耦合效果——耦合性越好，r材料在循環使用過程中漂移度越低，數據線性聚攏度越高，有利于信號歸一化處理，壓制數據混沌。上述兩點意見，也可作為未來高通量篩選氣敏材料的新評價準則，用以改寫單純通過接觸目標氣氛前后電阻變化率高低（即靈敏度）的傳統性能評判標準。

最終，研究人員將該關聯關系編寫為算法程序，嵌入高度集成的微小型陣列式氣體傳感器原型機中（圖2），獲得了免校準高可信傳感響應效果。目前，相關技術在中國石化普光氣田，涪陵頁巖氣田成功應用，對我國西南地區復雜地形環境下硫化氫伴生氣體進行了有效監測；同期在青島煉化氣體污染源監測評估中進行了實地驗證，風險識別準確率經認定≥90%，長期一致性波動偏差<3%，遠優于國際電工委員會iec 5.4.4.2與美國ul 6.16.1相關標準，各項經濟技術指標與進口同類產品相比具有顯著優勢，有效降低了企業hse監檢測與動態風險管控成本，被譽為石化“智能哨兵”。

圖2 基于新型算法的自主研制微型陣列式氣體傳感裝備

近日，該成果以“基于肖特基接觸正則化線性回歸的電阻式微型氣體傳感器信號混沌壓制方法”（schottky contacts regularized linear regression for signal inconsistency circumvent in resistive gas micro-nanosensors）為題發表在《小方法》（small bbbbbbs）上，并獲專利授權。西安交通大學為論文第一作者和通訊作者單位，化工學院碩士研究生郭盟亞、中科院物理所碩士生蘇悅（現為廈門大學博士在讀）為該文章共同第一作者。該論文得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、西安交通大學“青年拔尖人才支持計劃”等項目的大力支持。

趙宇鑫，西安交通大學研究員，博士生導師，西安交通大學青年拔尖人才。2015-2019年任中國石化安全工程研究院高級工程師。圍繞工業安全監測與應急處置材料器件開展從基礎研究、關鍵技術開發到工程示范的全鏈條研發工作，近年來研究興趣聚焦在危險介質的智能感知與納米原位測量相關領域。迄今所研發核心技術獲得中國石化前瞻性基礎性研究科學獎一等獎，授權中國發明專利11項，美日歐多國專利2項，發表sci論文40余篇，主持結題國家自然科學基金、中石油、中石化集團公司科技部、裝儲處等各類攻關項目2700余萬元。

梁文杰，中國科學院物理研究所研究員，中科院百人計劃。清華大學物理系學士和碩士學位，哈佛大學物理化學博士，加州大學伯克利分校和洛倫茲伯克利美國國家實驗室博士后?，F任納米物理與器件實驗室單分子和納米結構電子輸運研究組組長。研究領域集中在新奇納米結構和納米材料的電子輸運性質，世界上首次實現了由單個分子構成的最小電子器件并發現了新奇的物理耦合效應，闡述了在極限尺寸器件中電子-電子強關聯現象，為進一步研究小尺度極限下的物理規律和未來電子器件功能做出了創新型發現。在世界頂級學術刊物nature、science主刊等刊物發表文章90余篇，擁有6項國際專利。