柔性气体传感器正迅速成为下一代可穿戴电子设备的核心组件。理想情况下，它们应在各种机械变形下保持一致的性能。然而，同时实现高柔韧性和高灵敏度的半导体基柔性气体传感器仍面临挑战。本文，山东大学王子然 研究员、闫鹏 教授等在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Monolayer graphene interlayer enhanced flexible gas sensor with fast response and high strain tolerance for wearable ammonia monitoring”的论文，研究提出了一种具有快速响应和高应变耐受性的氨气（NH₃）传感器，采用SnO₂薄膜与超薄石墨烯中间层集成的设计。
得益于单层石墨烯，该柔性气体传感器实现了导电通道的高导电性及对NH₃的快速响应，且在传感器弯曲时，施加在SnO₂薄膜上的应变显著降低。该传感器展现出宽广的检测范围（0.5–100 ppm）和低至192 ppb的检测限，响应时间最快可达62秒，并在500次应变循环中保持机械稳定性。该传感器与柔性电路集成，形成具备数据传输与分析功能的可穿戴传感系统，可在多种环境中实现NH₃检测。本研究证明了基于SnO₂的柔性传感器通过高灵敏度与柔性设计，实现可穿戴应用的有效途径。
图1. Flexible gas sensor for NH₃ detection. (a) Schematic of the design and synthesis of the S-G composite nanofilm for NH₃ gas sensor. (b) Sensing mechanism of the sensor. (c) Schematic and photographs of the component structure of the NH₃ gas sensor for wearable applications and the functional module diagram of the flexible miniaturized circuit. (d) Schematic diagram of functional modules in flexible miniaturized circuit module.
综上所述，为解决当前传感器面临的问题，本研究提出了一种基于MOS技术的氨气传感器，该传感器具有高灵活性和抗应变能力，其设计采用了SnO₂薄膜与单层石墨烯中间层的集成结构。由于石墨烯中间层具有超薄和高杨氏模量的特性，当气体传感器弯曲时，作用在SnO₂薄膜上的应变显著降低，从而提高了NH₃气体传感器的柔韧性、应变耐受性和机械稳定性。此外，S-G复合纳米薄膜与传统MOS导电通道相比具有更高的导电性，这对提高灵敏度、降低工作电压和温度起到了关键作用。该柔性NH₃气体传感器实现了宽检测范围（0.5–100 ppm）、高气体选择性和低检测限（低至192 ppb），响应时间最快可达62秒（50 ppm），并在500次应变循环中保持机械稳定性。通过回归分析方程描述了特定条件下气体浓度与传感器响应之间的关系。最后，柔性氨气传感器与自设计的紧凑型低功耗电路模块集成，形成可穿戴传感系统。通过智能无线控制系统实现数据分析、传输和显示，验证了柔性气体传感器在各种环境下对氨气进行实时监测的能力。本研究展示了柔性气体传感器的高应变耐受性、快速响应特性及其无线柔性可穿戴传感系统，可适应多样化环境，为日常气体检测提供了新型解决方案。
文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165630
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