金属氧化物半导体敏感材料主要依靠半导体的表面缺陷与对象气体之间发生发生物理化学吸附，引起半导体能带的弯曲，导致半导体的电学参数发生变化。依据这个原理，半导体敏感材料的表面态密度越高，活性位点越多，对感知目标分子的吸附能力越强，从而传感器的灵敏度、响应恢复等特性越好。提高敏感材料的表面的吸附功能、改善电子在材料表面的传导速率以及提高材料表面的利用效率是改善气体传感性能行之有效的办法。通过对材料的表（界）面的结构构筑，如：多孔化、低维化、分层化，可有效提高材料的比表面积。

◆金属氧化物半导体多孔(层)结构的构筑

◆纳米金属氧化物及其多元氧化物的结构低维化

◆金属氧化物半导体多级结构及活性催化的实现

Fe₂O₃(图a-c)与LaFeO₃(图d-f)纳米线和纳米带

环状PdO-NiO结型分层结构

高湿环境下，敏感体的活性组分容易流失导致器件稳定性差的缺点限制了传统的LiCl电阻型湿度传感器高湿下活性成分易流失的缺点限制了其在全湿度量程的实际应用;，有望解决这一问题行之有效的方法是为这类敏感材料寻求一种有效的载体。介孔二氧化硅具有均一的孔径分布（2~50 nm）、规则的介孔孔道、较大的比表面积和孔体积、稳定性好，成为是一类理想的载体。与介孔二氧化硅相比，介孔金属氧化物不仅保持了具有独特的介孔结构，而且本身又含有丰富的缺陷态，二氧化硅担载敏感活性物质以及敏感氧化物材料的介孔化，可作为发展为一类新型高效高性能的传感材料。

◆介孔材料担载敏感活性物质及其性能

采用SBA-15、SBA-16、MCM-41等介孔二氧化硅作为载体，以LiCl、K₂CO₃、MgO、Fe(NO₃)₃、聚苯胺、聚吡咯等为敏感材料，开发多种湿度传感器。

◆有序介孔金属氧化物的构筑及性能

以P123、F108、F127等表面活性剂或者SBA-15、MCM-48、KIT-6等介孔二氧化硅为模板，采用“软模板”或者“硬模板”的合成策略，制备有序介孔金属氧化物材料，例如，In₂O₃，SnO₂，ZnO，WO₃等。详细地研究了上述介孔材料的气（湿）敏传感特性，探讨了传感材料的传感机制。

传统的旁热式烧结型金属氧化物半导体气敏元件是建立在陶瓷基底上，通过加热材料的载体间接使瓷管上的敏感材料受热激活，元件的功耗较大，不易制成便携式的小型仪表。低功耗气敏元件是当前一个主要的研究方向，将信号电极和加热电极设计在硅基板的同一个平面上，微型的直热式的器件结构，不但降低了元件的功耗，同时可以实现元件的小型化、集成化。利用Ansys可以对传感器芯片上的热场分布进行模拟，以验证设计的合理性。

传统的陶瓷基旁热式气敏元件结构

共平面微结构气敏元件结构（三端子）

共平面微结构气敏元件结构（四端子）

碳材料（碳纳米粒子、碳纳米管等）在溶剂里不溶解、不分散、易团聚，制约了其应用。对碳材料的化学修饰或改性可实现其性能裁剪，改善其表面结构，增强其在聚合物基体中的分散特性及其与基体之间的界面结合作用。有机/无机复合体系将无机材料的功能性与有机聚合物的加工性结合起来，可构筑具有智能传感特性的复合材料。

◆ 结露传感器件

结露传感器是指高湿段（70~100%RH）具有开关特性的一类湿度传感器，可用于电力设备、精密仪器、特有物品保存等的结露检测。电阻型结露传感器的核心是由导电相和吸水性绝缘树脂组成的复合敏感材料。利用结露发生时聚合物的溶胀使复合膜的导电能力急剧降低，从而表现出元件电阻的开关型变化。

高湿下的结露传感原理：

结露传感器的开关特性曲线

◆ 触觉传感器件

全柔性触觉传感器是将导电（粒子）相与硅橡胶构成的柔性压敏体系建立在柔性的衬底上，其阵列是仿生手智能化的根本解决方案。柔性的触觉传感阵列可以捕捉到机器手指面形态和受力面积发生变化时的力的信息，控制系统通过力的分布矩阵分析物体的滑落趋势，主动给被抓持物体施力，从而实现仿生手的智能化。

仿生手用触觉传感阵列结构示意图

柔性压力传感器的特性曲线

有机聚合物湿敏材料易于制备和加工，通过分子结构的设计可以方便地调控化合物的物理化学性质，目前遇到的瓶颈是元件的高湿稳定性较差且容易饱和。常用的双亲性线型湿敏聚合物的缠结使得链上敏感基团活性降低（图a），在高湿下对水分子的吸附易达到饱和，导致测量精度下降。对感湿点的调控是改善聚合物湿敏性质的关键，我们提出发展具有湿度敏感特性的树枝化聚合物（图b），利用树枝状结构在空间上的堆积减小聚合物分子链的聚集，将亲水性基团集中修饰在树枝状结构的外围，增强其与水分子之间的相互作用，从而提高湿度传感器的检测精度和稳定性。

湿敏型线型聚合物（图a）和树枝化聚合物（图b）结构示意图

石墨烯具有大的比表面积、高的载流子迁移率、良好的机械性能、稳定的物理化学性质以及良好的室温导电性，这些特点可以弥补传统金属氧化物半导体传感材料的缺点。尽管石墨烯材料可以实现室温检测气体，但是灵敏度低、响应恢复慢以及选择性差等问题严重阻碍了其实用性。采用有机分子对石墨烯材料进行非共价修饰，可以调控石墨烯材料的电子传输能力，提高对检测气体的识别能力与吸附能力，获得具有高传感特性的石墨烯型气体传感器。

卟啉分子修饰石墨烯材料的合成示意图

电化学传感器具有设计简单、价格低廉、灵敏度高、易微型化、多目标同时检测等优点。采用纳米技术对电极进行化学修饰，改变电极表面结构、控制电化学过程，实现分子水平上对电化学传感器的功能修饰和调控。以新型的纳米功能材料对电极进行化学修饰，（包括：基于石墨烯、碳纳米管、介孔碳等碳基材料；TiO₂，SnO₂等半导体金属氧化物；Au、Ag、Pd、Pt等贵金属以及聚苯胺、聚吡咯等导电聚合物），实现对环境中的有毒、有害气体，重金属离子以及有机物污染物的检测。

石墨烯与Ag纳米粒子复合材料的合成示意图及其电化学检测H₂O₂