微波氣體傳感器（MGS）因其低功耗、非接觸式檢測和室溫工作等優(yōu)勢而受到廣泛關注。然而，傳感器的性能受到敏感材料和微波電路的限制。傳統(tǒng)的平面諧振器由于其電磁場分布特性，品質(zhì)因數(shù)較低，導致靈敏度有限。

近日，吉林大學的研究團隊提出了一種可重構矩形波導MGS，在低濃度下實現(xiàn)高靈敏度。

與平面諧振器相比，波導諧振腔具有更強的電磁場、更高的品質(zhì)因數(shù)和更大的敏感區(qū)域，有利于構建高靈敏度的MGS。此外，腔體可用作氣室，簡化傳感系統(tǒng)。為了進一步提高矩形波導的靈敏度，該研究團隊在兩個矩形波導之間設計諧振窗，優(yōu)化波導電路的頻率選擇和品質(zhì)因數(shù)。諧振窗的長為53.00 mm，寬為5.00 mm時，品質(zhì)因數(shù)，高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔對敏感材料吸附氣體引起的介電常數(shù)變化非常敏感。其中電(E)場集中在諧振窗中心，磁(H)場集中在諧振窗兩端，敏感材料的存在不會改變電磁場分布.

整體材料具有三維互連的大孔、中孔和微孔，有利于氣體吸附和擴散，并且可以精確放置在腔體中的強電磁場區(qū)域。Al2O3整體材料豐富的酸性位點能夠有效結合堿性氣體，研究人員選擇Al2O3整體材料檢測NH?；為了進一步增強NH?傳感性能，采用水熱法合成了In2O3/Al2O3整體材料，In2O3的負載增強Al2O3的電導率，并且提供更多氧空位（圖3I）作為氣體吸附活性位點。

該研究團隊利用In2O3/Al2O3整體材料制備矩形波導MGS對NH3進行檢測，測量結果如下。In2O3/Al2O3可以檢測10 ppb ~ 10 ppm的NH3，且在濃度低于50 ppb時展現(xiàn)出高靈敏度（116.1 dB ppm-1）。為了進一步拓寬傳感器的檢測范圍，該研究團隊制備了不同質(zhì)量敏感材料的傳感器，0.2 g In2O3/Al2O3將檢測上限提高到800 ppm，但質(zhì)量的進一步增加將導致檢測范圍降低。為了證明矩形波導MGS的可重構性，研究人員通過更換三種組分的整體材料實現(xiàn)對NH3的連續(xù)響應，表明其顯著的可重構性，即更換對不同目標氣體敏感的整體材料可以檢測不同氣體，實現(xiàn)了芯片式傳感。

電路的品質(zhì)因數(shù)和敏感材料的微觀結構在傳感性能中起著至關重要的作用。因此研究人員基于分級多孔結構和高品質(zhì)因數(shù)波導諧振腔分析了NH3傳感增強機理。矩形波導在TE10模式下工作，諧振窗是電感膜片和電容膜片的結合，將電磁場集中在諧振窗，位于窗口中心的敏感材料與高密度電磁波相互作用獲得高靈敏度。根據(jù)氣體擴散理論，分級多孔結構有效增加敏感材料中氣體分子相對量；根據(jù)Maxwell-Garnett方程，氣體吸附量的增加引起有效介電常數(shù)顯著變化，最終增強傳感性能。

總而言之，研究人員引入了一種將波導腔和整體材料相結合制備傳感器的新方法，克服了平面諧振器靈敏度較低的問題，簡化了傳感系統(tǒng)并提高了MGS的靈敏度。這種可重構芯片式傳感器在實際氣體傳感應用中具有巨大的潛力，該設計原則可以擴展到其他整體材料用于氣體傳感。

來源：傳感器專家網(wǎng)