近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室、电子科学与工程学院、材料科学与工程学院、集成光电子全国重点实验室吉林大学实验区科研团队在IEEE Electron Device Letters上发表题为“Microwave Gas Sensor Based on Differential Planar Resonator Synergistically Loaded with Pd-Doped CdSnO3for Enhanced H2S Detection”的研究工作。该工作提出了一种用于硫化氢传感的微波气体传感器，该传感器由差分互补开口谐振环与涂覆其上的钯掺杂锡酸镉构成，二者协同工作，实现了高灵敏度、高选择性和低检测下限的传感性能（图一）。
图一：微波气体传感器示意图及气体测试系统照片
微波气体传感器是一种新型传感器件，由敏感电路与涂覆其上的敏感材料组成。暴露于目标气体气氛时，敏感材料的电磁特性会随着浓度的变化而改变，同时敏感电路感知这一变化并转换为微波参数（透射系数或反射系数）的变化。与传统的化学电阻性气体传感器相比，微波气体传感器不仅可以在室温下工作，同时还具有多样的增感方法。硫化氢不仅是哮喘和口臭的生物标志物（ppb浓度），还对人类健康构成严重威胁（ppm浓度）。因此，硫化氢传感研究具有重要科学意义与应用价值。然而，目前针对硫化氢检测的微波气体传感器研究仍存在明显不足：已有研究虽然在电磁仿真中获得了优异的传感性能，但仍停留在电磁仿真阶段，缺乏实验数据验证；同时，现有传感器普遍存在敏感区域面积受限导致灵敏度不足，以及电路结构复杂等问题。
针对上述挑战，本研究开发了一种基于差分互补开口谐振环的微波气体传感器，该传感器由两个相同的单端口互补开口谐振环电路组成，即传感部分和对照部分。互补开口谐振环结合曲流槽的结构设计使该区域的强电场更加集中，从而实现了更高的灵敏度。传感部分涂覆钯掺杂锡酸镉，而参考部分保持空载状态。研究人员通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等表征手段对钯掺杂锡酸镉的结构及形貌进行了系统的表征及分析（图二）。
图二：钯掺杂锡酸镉样品的结构及形貌表征
研究人员在电磁仿真软件中模拟了该传感器对敏感材料介电损耗变化的响应情况。结果显示，该微波气体传感器能够检测介电损耗的变化，且传感部分与参考部分之间存在显著隔离（图三）。
图三：微波气体传感器的传感性能仿真结果
为验证微波气体传感器的传感性能，研究人员在0-50 ppm硫化氢气氛下进行了传感性能测试。随着硫化氢浓度的增加，传感部分的谐振幅值向上偏移，而参考部分的谐振幅值几乎保持不变，证实了传感部分的传感能力以及参考部分对硫化氢的不敏感。所提出的传感器对低硫化氢浓度和高硫化氢浓度分别具有0.49 dB/ppm和0.21 dB/ppm的高灵敏度。为了评估传感器的选择性，研究人员分别在5 ppm的硫化氢、二氧化碳、二氧化硫、氨气和二氧化氮气氛下对传感器进行了测试。结果表明，传感器对硫化氢的响应值是其他气体的几十倍，表明传感器对硫化氢具有优异的选择性。此外，在10 ppm硫化氢浓度下进行的8次重复性测试结果表明，传感器响应值保持在2.65-3.12 dB的范围内，没有明显的衰减，具有良好的稳定性和重复性（图四）。
图四：微波气体传感器的传感响应值、选择性和重复性
相关的研究成果近期发表在IEEE Electron Device Lett.上，文章第一作者为吉林大学博士研究生薛珊珊，通讯作者为吉林大学王小龙教授和金泉教授。该工作得到了国家自然科学基金项目的支持。
全文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10841403
