一种高度智能的MEMS丙酮气传感器阵列，用于饮食监测应用

在本工作中，气体传感器阵列由四种基于CuO的不同传感材料组成，并对其沉积在MEMS微加热器上进行了设计、制作和表征。该传感器阵列由CuO、CuO与Pt NPs、ZnO-CuO和ZnO-CuO与Au NPs组成，对其气敏特性进行了表征，用于呼气相关VOCs的检测。通过MEMS微加热器，功耗考虑应用于需要超灵敏的丙酮气敏的医疗设备。此外，利用主成分分析，它能够区分丙酮气体(饮食中脂肪燃烧的生物标志物)和其他VOCs气体。该装置适用于移动医疗领域的现场饮食监测。

挥发性有机化合物包括人造和天然产生的有机化学物质，由于其沸点低，很容易从液体或固体中蒸发或升华[1］．呼气中的VOCs也是近年来气体传感器研究的热点之一。呼出的呼吸含有超过900种挥发性有机物，它们是新陈代谢的产物，这些气体如丙酮、NO₂,在北半球_3.,和H₂S已被公认为诊断多种疾病的关键生物标志物气体，包括糖尿病、哮喘、肺癌等。[2，3.，4］．例如，由于丙酮通过酮体代谢与脂肪燃烧相关，因此丙酮被研究为一种生物标志物[5，6，7];在对1型糖尿病的评估中，健康人的浓度从300 PPB增加到900 PPB，而糖尿病患者的浓度超过1800 PPB [5，7，8］．因此，其检测有可能成为饮食监测的新标准。金属氧化物材料是VOCs气体传感器常用的传感材料，具有灵敏度高、响应/恢复时间快、成本低等优点[9］．然而，它们有选择性差的关键缺陷，这意味着它们对其他气体和目标气体也表现出良好的反应。此外，呼出气体中VOCs的浓度很低，仅为ppb水平，因此需要研制超灵敏的气体传感器来检测呼出气体中的VOCs。本文利用合成的不同氧化铜(CuO)基纳米材料制备气体传感器[10，11提高了气敏性和选择性。对于CuO基气体传感器的工作，要求加热到150-300°C的温度范围内。从这一点来看，微加热器已经被研究并集成到传感器制造过程中，因为微尺寸器件的功耗更低[12，13］．采用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的MEMS工艺有利于在单芯片上开发完整的传感器平台[14］．

主成分分析(PCA)是一种非常有用的分类技术，广泛应用于气体传感领域[15］．金属氧化物半导体气体传感器本身具有广谱响应的优点。这可以满足使用传感器阵列对由多个部件组成的产品进行识别的强烈需求。将主成分分析方法应用于高维遥感数据的分布分析中，通过在选定的主成分上进行投影降维，可以检验数据的特征。PCA寻求在最小二乘意义上有效表示数据的投影，其中PCA将d维数据以一种在和平方误差意义上最优的方式投射到低维子空间[16］．

在印刷电路板上制造传感器阵列

MEMS微加热器是在ETRI铸造工厂使用CMOS和MEMS制造协议设计和制造的。四种MEMS微加热基板通过金线键合与印刷电路板(PCB)结合。为了将传感材料沉积在MEMS微加热基板上，将粉末相样品与粘结剂混合，利用玻璃纤维在光学显微镜下沉积在特定位置。采用HKUST-1基CuO、HKUST-1基含Pt NPs的CuO、ZnO-CuO空心纳米立方和ZnO-CuO空心纳米立方Au NPs作为传感材料沉积在衬底上。

气敏特性的测量

使用数据采集系统(DAQ)观察传感特性，该系统拥有安捷伦34,970 a和BenchLink数据记录器程序，并将传感器阵列放置在一个腔室中。平衡气体与干空气和湿空气混合(共1000cc /min)，分析气体从韩国RIGAS公司获得，浓度为10 - 100ppm。质量流量控制器用于混合分析气体与平衡，以获得浓度(100 ppb到10 ppm)。通过使气体流动到测试室来观察气体的响应。然后将平衡气体输送到试验室内进行回收。

数字1给出了微型热板加热器的制作原理图。通过电源对微加热器施加直流电压，通过欧姆定律计算电阻。在管式炉中根据一定的温度对加热器电阻进行表征，以估算MEMS气体传感器的温度。2给出了MEMS微加热器在炉系统中不同温度下的电阻特性。如图所示。3.，将四种不同的传感材料HKUST-1基CuO、HKUST-1基CuO与Pt NPs、ZnO-CuO核-空心纳米立方和ZnO-CuO核-空心纳米立方与Au NPs沉积在MEMS微加热器基板上，并通过Au线键合与PCB(图1)。4)．

MEMS微加热器制造工艺示意图

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熔炉系统中MEMS微加热器在不同温度下的电阻特性

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MEMS微加热器的光学图像(一个)，并沉积感应材料(b)和沉积在MEMS微加热器上的传感材料的扫描电镜图像(c）

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CuO、CuO与Pt NPs、ZnOCuO空心纳米立方和ZnO-CuO空心纳米立方与Au NPs在不同温度下对丙酮、甲醛和乙醇的响应

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CuO、CuO与Pt NPs、ZnO-CuO空心纳米立方和ZnO-CuO空心纳米立方与Au NPs在MEMS微加热炉上对丙酮、甲醛和乙醇的响应如图所示。4．根据以往的数据，合成的CuO基材料不仅对丙酮有良好的反应，对甲醛和乙醇也有良好的反应。由于金属氧化物材料VOCs气体传感器的选择性是有待提高的缺点之一，我们试图通过制作传感器阵列来表征这三种VOCs气体的传感特性，并将丙酮气体与它们区分开来。首先，对每种CuO基材料在不同操作温度下对丙酮、甲醛和乙醇的响应进行了表征。4而且5)．计算工作温度T = 3.8774 r-435.37，其中r为MEMS微加热器的电阻，如图所示。2．在干燥的空气条件下，在暴露于1 ppm的丙酮、甲醛和乙醇时观察到响应值，因为假定健康人呼出的气体中的丙酮浓度约为1 ppm。其中，在ZnO-CuO空心纳米立方中，当温度较低至170℃时，丙酮的响应值最高。此外，其他传感材料在某些情况下对丙酮反应最高。为了优化工作温度，将传感器阵列暴露在1ppm的丙酮下，不同的施加电压，每种传感材料在不同条件下的灵敏度最高，如图所示。5．HKUST-1基CuO及其贵金属掺杂材料在施加电压2.9 V(相当于约280°C)时对丙酮的响应最高，ZnO-CuO基材料的优化施加电压在2.4 V(相当于约190°C)以下。在丙酮浓度从0到1500 ppb的广泛范围内测量了气体响应，观察到对分析物浓度的响应呈线性(图。6)．响应可以测量到40 ppb，估计检测极限为9 ppb。虽然丙酮气体的响应值在其他VOCs气体中最高，并对丙酮气体的最佳检测条件进行了表征，但通过响应值很难将丙酮与乙醇、甲醛等类似结构气体区分开来。响应依赖于分析物浓度，因此对于特定的气体，它不能成为不同的参数。因此，需要采用数据处理技术，本文采用PCA分析方法，将丙酮气体与其他测试VOCs气体进行区分(图1)。7)．

MEMS传感器阵列对1ppm丙酮的响应作为外加电压的函数

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ZnO-CuO空心纳米立方对丙酮浓度的响应

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基于CuO的传感器阵列的PCA结果

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利用MEMS微加热器设计并制作了由不同CuO基传感材料组成的传感器阵列，并对其传感性能进行了表征。在CuO、CuO与Pt NPs、ZnO-CuO和ZnO-CuO与Au NPs中，ZnO-CuO对丙酮的响应最好，证实了所制备的传感器在呼气等潮湿条件下的稳定运行。通过将MEMS微加热器应用于传感器阵列，每个传感器的功耗降低到34 - 50mw。主成分分析结果表明，丙酮气体与其他测试VOCs气体具有一定的区别。

支持本文结论的数据集包含在本文中。

挥发性有机化合物的仪器:

挥发性有机化合物

互补金属氧化物半导体:

二元金属氧化物半导体

微机电系统:

微电子和机械系统

错:

铜(II)氧化物

氧化锌:

氧化锌

NPs:

纳米粒子

HKUST-1:

铜benzene-1 3 5-tricarboxylate

印刷电路板:

印刷电路板

数据收集:

数据采集系统

主成分分析:

主成分分析

该研究得到了国家研究财团的课题支持。

本研究得到韩国国家研究基金会(NRF)“基于多种生物标志物的移动饮食监测技术开发”研究项目(NRF- 2017m3a9f1033056, NRF- 2021m3h4a4079271)的支持。

作者和联系

1. 韩国电子和电信研究所(ETRI)福利和医疗ICT研究部诊断和治疗系统研究科，大田，34129

   李宰恩和李大植

2. 韩国科学技术高等学院电气工程学院，韩国大田儒城区大学路291号，邮编34141

   李宰恩和崔圣佑

3. 韩国大田儒城区大学路291号韩国科学技术院化学学院，邮编34141

   Chan Kyu Lim & Hyunjoon Song

贡献

JE、CG和DS完成了器件的制作、实验、数据分析和撰写稿件。JE进行了器件表征。HJ, SY和DS指导了研究并审阅了手稿。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到Dae-Sik李．

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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