超灵敏MEMS丙酮气体传感器，用于糖尿病诊断和监测

呼气分析凭借其简单、非侵入性的特点，在疾病诊断方面的应用越来越受到关注。人体呼出气体中含有大量挥发性有机化合物（VOC），其中一些与特定疾病有强相关性，被称为该疾病的呼吸生物标志物。研究发现，癌症的呼吸生物标志物主要包括烷烃、烯烃、醇、醛或酮；肾脏疾病、哮喘和糖尿病的呼吸生物标志物分别包括氨、H₂S/NO和丙酮。由于糖尿病越来越普遍，对丙酮的研究日益受到重视。

根据国际糖尿病联合会数据，2021年全球糖尿病成年患者约有5.37亿，即每10人中有1人患有糖尿病。据报道，未经治疗的2型糖尿病患者呼出气体中的丙酮水平在920～1200 ppb之间，而控制良好的患者则在190～660 ppb之间，这意味着通过分析呼出气体中的丙酮浓度可以反映血糖水平。另一方面，对于控制良好的2型糖尿病患者，呼出气体中丙酮的浓度与HbA1c%水平（血液中糖化血红蛋白占总血红蛋白的百分比）之间存在明确关联。它代表了过去大约两到三个月内血液中葡萄糖水平的平均值。较高的HbA1c%值对应着血液中较高的葡萄糖浓度。据报道，健康人的呼出丙酮浓度在300～900 ppb之间，而糖尿病患者的该值则大于1800 ppb。以上所有这些数据都意味着，通过分析呼气中的丙酮浓度，可以诊断糖尿病，并监测患者的糖尿病状态。

通常情况下，基于金属氧化物半导体（MOS）的气体传感器具有高灵敏度、良好选择性、可重复性和长期稳定性等优点。然而，大多数情况下，它们需要加热元件，并在高于室温的温度下工作。目前，通常采用三种加热策略：平面陶瓷基板加热器、陶瓷管加热器、MEMS微型加热器。

基于MEMS微型加热器的MOS气体传感器具有超低功耗的优势，之外，其能够集成到多功能系统中，良好的微型化以及晶圆级器件生产等特点也吸引了越来越多的关注。尽管MEMS丙酮气体传感器的发展取得了显著进展，但很少有报道同时实现较低检测限、较低功耗（较低工作温度）以及较长长期稳定性的高性能丙酮气体传感器。

作为n型半导体，WO₃已被广泛用于制造高性能丙酮气体传感器。贵金属铑（Rh）是选择性吸附丙酮分子的有效催化剂，已被用作修饰或掺杂材料以增强传感器的气体检测能力。

据麦姆斯咨询介绍，近期，山东理工大学和西交利物浦大学的研究人员选择了WO₃作为基体材料，Rh₂O₃作为修饰材料来制备丙酮气体传感器的方案。研究人员基于p-Rh₂O₃-n-WO₃异质结构材料，制备了一种超灵敏MEMS丙酮气体传感器。该传感器在220 ℃最佳工作温度下，检测限为110 ppb，对应功耗为26.5 mW。该传感器能有效区分糖尿病患者与健康人群的模拟呼出气体，也可用于监测患者的糖尿病状态。

相关研究成果已经以“A chemiresistive MEMS acetone gas sensor based on p-Rh₂O₃-n-WO₃ heterostructure for diagnosing diabetes and monitoring diabetic states”为题发表于Sensors and Actuators B: Chemical期刊。

MEMS芯片的制造流程

MEMS芯片的图像

MEMS气体传感器的制造

该MEMS芯片是一款商业化芯片，其微加热器的组件和结构以及传感器的制造过程如上图所示。从上到下，微加热器包括四层：叉指电极、隔离膜（SiNₓ/SiO₂）、Pt加热器和支撑膜（SiNₓ/SiO₂）。为了减少能耗，研究人员设计了悬浮结构。在传感器的制造中，使用光学显微镜引导，将约0.04 𝜇L WO₃-RhCl₃悬浮液滴加到MEMS芯片的中心部分。然后，将芯片在170 ℃下干燥4小时。最后，在马弗炉中以1 ℃/min的加热速率将芯片在400 ℃下退火4小时。

MEMS丙酮气体传感器的传感机制示意图

模拟呼吸实验设置

MEMS丙酮气体传感器对模拟呼吸的动态响应，响应结果表明，该传感器可以有效地将糖尿病患者与健康人区分开来

结论

在这项研究中，研究人员通过滴铸法制造了一种基于p-Rh₂O₃-n-WO₃异质结构材料的超灵敏MEMS丙酮气体传感器。

EDS映射显示元素Rh均匀地分散在WO₃的表面。XPS揭示了Rh的化学状态，主要以Rh₂O₃的形式存在。HRTEM证明了p型Rh₂O₃和n型WO₃之间存在异质结。

对于MEMS微加热器，其温度随加热功率的增加而线性增加。在最佳工作温度220℃（26.5 mW）下，该MEMS丙酮气体传感器具有良好的选择性、重复性和长期稳定性，检测限为110 ppb。实验证明，该传感器有望应用于诊断糖尿病，以及监测患者的糖尿病状态。