在环境监测、工业安全、智能家居等域，可靠的气体传感器需求日益增长。然而，传统传感器常受限于灵敏度不足、选择性差、功耗高以及复杂的生产工艺。如何突破技术瓶颈，打造下一代高性能气体传感器？答案或许就藏在 VSP-P1 纳米打印沉积系统的创新技术中。

由于针对不同使用场景，提升金属氧化物气体传感器的选择性，灵敏度需要进行多种组分改变，从而获得较佳性能。但随着气体传感器向微小化发展，传统的制备工艺并不适合进行大量的成分筛选，同时存在一致性问题。来自奥地利的莱奥本大学团队的 Niels Schouten 与荷兰 VSParticle 合作项目，针对多种气体制备氧化物/金属掺杂 MEMS 传感器。

01.VSP-P1 纳米印刷沉积系统：火花烧蚀与惯性冲击打印的融合

VSP-P1 纳米印刷沉积系统由荷兰 VSParticle 公司研发，基于火花烧蚀（Spark Ablation）与惯性冲击打印（Inertial Impaction）两大核心技术，为气体传感器制造提供了革命性解决方案：

• 火花烧蚀：通过高电压火花烧蚀瞬间气化金属电，生成超纯纳米颗粒（NP），可灵活混合金属氧化物（如SnO₂、NiO）、贵金属催化剂（如Ag）等材料，实现“按需定制”的纳米多孔层（NPL）。

• 惯性冲击打印：将纳米颗粒高速沉积于传感器基底，无需光刻或刻蚀工艺，即可实现图案化沉积。整个过程规避了化学污染，确保材料高纯度与一致性，显著提升传感器性能。

02.VSP-P1 在气体传感器中的应用优势

1. 高灵敏度和宽动态范围

VSP-P1 技术制备的纳米多孔层具有高的比表面积，能够显著增强气体分子与传感器表面的相互作用。例如，在检测甲醛气体时，VSP-P1 制备的SnO₂-Ag 传感器在0.1 ppm浓度下表现出高达70% 的响应，而在 10 ppm浓度下，响应趋于饱和，显示出灵敏度和动态范围。

2. 选择性和稳定性

通过在金属氧化物中添加催化剂（如Ag），VSP-P1 技术能够显著提高传感器的选择性和稳定性。例如，NiO-Ag 传感器在 0.1 ppm 甲醛浓度下表现出 20% 的响应，且在不同浓度下具有良好的重复性和稳定性。

3. 多组分检测能力

VSP-P1 技术能够制备多种不同的纳米材料，这些材料可以集成在一个多阵列传感器平台上，实现对多种气体的同时检测。例如，一个传感器平台可以集成纯金属氧化物（SnO₂和NiO）、二元合金（SnO₂-NiO、SnO₂-Ag和NiO-Ag）以及三元合金（SnO₂-NiO-Ag），从而实现对不同气体的高灵敏度和高选择性检测。

4. 简化的制造工艺

VSP-P1 技术避免了传统气体传感器制造过程中复杂的光刻和蚀刻步骤，从而减少了表面污染和提高了制造效率。此外，VSP-P1 技术可以在大气压下进行，进一步降低了制造成本。

图1.利用 VSP-P1 在 MEMS 传感芯片电表面打印传感纳米多孔层

03.VSP-P1：火花烧蚀与惯性冲击打印的融合

甲醛是一种常见的室内空气污染物，对人体健康具有严重危害。VSP-P1 技术制备的 SnO₂-Ag 传感器在 0.1 ppm 甲醛浓度下表现出高达 70% 的响应，而在 10 ppm 浓度下，响应趋于饱和，显示出的灵敏度和动态响应范围。二元合金（SnO₂-Ag）和三元合金（SnO₂-NiO-Ag）传感器在不同浓度下表现出的灵敏度和线性响应。

图2基于不同的印刷NPL的气敏性能金属氧化物半导体的组成部分。(a)甲醛暴露的阻抗变化。(b)传感响应程度

通过不同的纳米粒子发生源，进行多组分纳米多孔传感层的打印，并用于测试气体传感性能。每个发生器可独立进行靶材，功率的调控，从而获得多样化的材料组合。

表1：不同 NPL 材料的组成

表2：不同 NPL 材料对甲醛的响应范围

04.小结

该工作主要测试了甲醛、氮氧化物和挥发性有机化合物的传感效果，其中VSP技术制备的纳米多孔层（NPL）在这些气体的检测中表现出的性能。特别是二元合金（SnO₂-Ag）和三元合金（SnO₂-NiO-Ag）传感器在甲醛和氮氧化物的检测中表现出高灵敏度和良好的线性响应。这些结果表明，VSP 技术通过集成不同纳米材料的多阵列传感器平台，可以实现对多种气体的同时检测，提高传感器的选择性和灵敏度。在气体传感器域具有广阔的应用景，可应用于多组分 MOS 涂层筛选，并在未来进行自动化生产。

型号推荐 VSParticle 纳米气溶胶沉积系统

VSP-P1 纳米印刷沉积系统

VSP-P1 纳米印刷沉积系统是 VSParticle 产品线中的设备，为材料开发和小规模生产测试而设计。利用火花烧蚀材料的冲压沉积技术，能够实现从稀疏团聚体到厚达几微米的连续层的不同层厚度印刷沉积。它的图案化打印功能使得研究人员能够在非半导体类的纳米薄膜应用中实现精细的厚度控制。VSP-P1 在催化剂涂层膜的开发、电催化剂筛选和气体传感器研究中展现了其性能和灵活性。

VSP-G1 纳米粒子发生器

VSP-G1 纳米粒子发生器是一台桌面式仪器，可生成尺寸范围为 1 – 20 nm 的纯金属、金属氧化物、碳、半导体、合金纳米气溶胶材料。纳米颗粒的生产采用纯物理火花烧蚀技术制备，在气相中进行，无需真空，无需使用表面活性剂或驱体。用于纳米粒子生产的源材料仅需材料制成所需的两根靶材（电），使用时只需安装电并设置参数，按下按钮即可开始生成纳米颗粒。

VSP-S1 纳米粒径筛选沉积系统

VSP-S1 是 VSP-G1 的理想伴侣，它是一款用户友好的纳米粒子尺寸选择器，能够轻松筛选出 1-10nm 范围内的单一尺寸颗粒。VSP-S1 纳米粒径筛选沉积系统提供 0.1nm 分辨率的控制；适用于原位 TEM 研究和尺寸依赖的效应研究；具备实时跟踪功能，确保样品一致性和可靠性。

参考文献

【1】Sacco L N, Schouten N, Egger L, et al. Multiarray Gas Sensors Based on Nanoporous Layers Produced à la carte by Spark Ablation Using Metal Oxides, Binary ａnd Ternary Alloys[C]//2024 IEEE SENSORS. IEEE, 2024: 1-4.