基于叉指电极的MEMS混合传感器阵列，提升电子鼻系统的选择性

由于挥发性有机化合物（VOC）会造成空气污染，带来健康风险，还能反映工业中的泄漏或污染情况，因此检测VOC气体对健康、环境保护和工业安全至关重要，应用包括空气质量监测、疾病诊断和食品安全等。

电子鼻（e-Nose）旨在以高精度实现对VOC气体的检测与分析功能。MEMS气体传感器因其尺寸小、功耗低、灵敏度高等特点，在电子鼻应用中备受关注。这些特点使得便携式、低成本气体检测设备的小型化和大规模生产成为可能。与其它MEMS气体传感器相比，基于叉指电极（IDE）的气体传感器具有多功能性、可修饰多种敏感材料，以及对不同检测机制的适应性等优势。

近日，加拿大温莎大学（University of Windsor）的研究人员重点研究了采用叉指电极几何结构的基于聚合物的混合传感器阵列（HSA）用于VOC气体检测。在气体传感器中实现高选择性和高灵敏度仍然是一个挑战，特别是在复杂的应用环境中。为了解决这个问题，研究人员提出MEMS混合传感器阵列作为一种创新的解决方案来提高传感器的性能。相关研究成果以“Polymer-Based Chemicapacitive Hybrid Sensor Array for Improved Selectivity in e-Nose Systems”为题发表在Sensors期刊上。

这款基于叉指电极的MEMS气体传感器使用多晶硅多用户MEMS工艺（PolyMUMP）设计和制造。通过在受控条件下将气体传感器暴露于VOC环境中进行实验评估。结果表明，所提出的MEMS混合传感器阵列（HSA）和虚拟传感器阵列（VSA），特别是采用先进叉指电极几何结构的阵列，显著提高了选择性和灵敏度，推进了电子鼻技术在各种应用中实现更准确、更可靠的VOC气体检测。

在这项工作中，研究人员选择了四种不同的边缘场几何结构，基于其较低的制造复杂性和高灵敏度。截锥体和网格状叉指电极已分别完成设计并用于制造和测试。叉指电极采用PolyMUMP制造工艺设计，以最大限度地提高平行板配置的有效横截面积。这是通过整合所有三个可用的多晶硅层来实现的，从而使电极总厚度达到4 µm。为了进一步增大传感面积，在制造限制范围内，通过最小化电极宽度来增加单位面积内的电极对数量。

四种叉指电极边缘场几何结构的示意图：（a）矩形；（b）矩形螺旋形；（c）截锥体形；（d）网格形。

在测试的各种叉指电极几何结构中，截锥体设计表现出最高的电容灵敏度，在50%相对湿度（RH）下显示出3.10 pF的最大电容变化（ΔC），优于其它配置。这些结果凸显了截锥体叉指电极在VOC气体传感应用中的卓越性能，并支持其在气体传感器阵列系统中的进一步发展。

四种气体传感器几何结构的电容与RH浓度的变化

研究人员在传统的多传感器阵列（MSA）、虚拟传感器阵列（VSA）、混合传感器阵列（HSA）配置下，使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对不同传感器阵列配置的性能进行了评估。MSA配置利用PMMA和PVP涂层传感器的响应，凭借两个传感器的响应实现了82%的预测率。而VSA和HSA配置则采用主成分分析（PCA）对电化学阻抗谱（EIS）数据进行降维，从而促进更有效的特征提取。PMMA-VSA仅通过两个主成分即可实现100%的预测率，PVP-VSA使用五个成分达到了98%的预测率。这些结果强调了VSA在改进数据分析方面的有效性，提升了系统对化合物的鉴别能力，从而最大限度地减少了电子鼻系统中所需的物理传感器数量。

混合传感器阵列（HSA）配置通过整合PMMA和PVP传感器的电化学阻抗谱响应，利用所获取数据的互补性，进一步提高了选择性。HSA在使用四个及以上变量时始终显示出100%的预测率，超过了传统的多传感器阵列（MSA）和虚拟传感器阵列（VSA）。这凸显了通过组合传感器响应来增强化合物区分能力的优势，尤其是在复杂的气体传感环境中。

总而言之，这项研究的结果表明，通过气体传感器阵列设计和配置策略，可以显著提高电子鼻系统的选择性和灵敏度。具体来说，改进的边缘场几何形状已被证明可以提高电容响应和阻抗灵敏度。事实证明，虚拟传感器阵列（VSA）的使用在提高选择性方面尤为有效，使单个传感器能够生成更丰富的数据集。这减少了对大型物理传感器阵列的需求，为电子鼻系统提供了一种更高效、更具可扩展性的方法。这些发现在需要精确且灵敏的化合物检测的领域具有潜在优势，并为进一步开发提供了强大平台，从而弥合了传感器设计、材料科学和实际应用之间的差距。