气敏传感器

气敏传感器07级物理学基地班小组成员：许广凌张英杰李遇泽张寒晖俞波马登峰主要内容：概述气敏传感器分类气敏传感器性能评价SnO2气敏元件一些其他的常见气敏元件展望概述在工业高度发达的今天，废气污染所带来的损失已经威胁到人类的牛存，温室效应，酸雨，臭氧层的破坏等一系列问题已经迫在眉睫，而解决这些问题的关键是迅速准确地检测到这些有毒害、有污染的气体，另外，在家居安全、矿井作业、火灾报警等方面，气体的检测也很重要．这便是气敏传感器发展的客观条件。需要检测的气体种类很多，而所检测的气体的种类、组成、浓度不同，其检测方法也不大相同．如电化学法、光学法、色谱分离法等。这些方法共同的缺点是检测设备复杂、成本高、不宜广泛使用。定义：气敏传感器是指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。自从1931年布劳尔(P．Brauer)发现了Cu2O的电导率随水蒸汽的吸附改变。至今，人们已经相继发现ZnO、Fe2O3、MgO、SnO2、NiO、Cr2O3、TiO、BaTiO3等都具有气敏效应。气敏传感器已经发展成为传感器领域的一大体系，已经研制成功一大批功能各异的气敏传感器，其分类方式也有很多种．例如按被检测气体分类、按制作方式分类、按工作原理舟类等不同的分类方法。气敏传感器的分类(按工作原理分类)：（1）电量型气敏传感器电阻式气敏传感器——材料表面吸附气体后电阻值发生变化电容式气敏传感器——材料的电容量随周围气体的浓度发生变化伏安特性气敏传感器——一定的气体将引起半导体能带及金属功函数的变化（2）质量型和质量电量双参数气敏传感器声表面波型气敏传感器——在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某种气体的气敏薄膜，当这层气敏薄膜吸附了特定气体之后将会引起压电晶体的声表面波频率发生漂移，从而可以准确地测出气体的浓度。石英微波天平气敏传感器——在石英表面涂覆一层选择性吸附某种气体的涂层，当此涂层选择性吸附特定气体之后便会引起石英晶片谐振频率的变化，从而可定量的测特定气体的浓度。气敏传感器性能评价灵敏度高，使用方便，价格便宜是人们对气敏传感器的兴趣所在，但是，选择性才是气敏传感器最重要的性能指标。传统的广谱型气敏传感器能对大多数还原性气体响应，但无法分辩气体类型，在很大程度上限制了传感器的使用范围。实际应用中我们希望传感器能够从复杂的气体混合物中有选择地分辨出目标气体，如CO、H2、C2H50H等，以满足安检、报警等多方面需求。从改变气敏材料制备工艺和测试技术的角度等方面可以提高选择性。SnO2气敏元件用金属氧化物敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，SnO2是氧化物半导体气敏材料中最常见的一种。SnO2是一种广普型的气敏材料，SnO2粉体的粒径大小，颗粒的形状、均匀性、稳定性都直接影响着制成的气敏器件的灵敏度、功耗、响应恢复特性及稳定性等重要参数。SnO2有良好的气敏性能，但是，为了得到灵敏度高响应快速，功耗低的元件，常以SnO2材料为基体研制效用更好的气敏材料。主要工作有：控制材料微粒大小，颗粒纳米化掺杂，添加其他催化剂或添加剂利用过滤设备增强选择性改进制备方法一、控制材料微粒大小，颗粒纳米化由于SnO2是表面电阻控制型气敏材料，表面积越大，表面活性较一般材料就越高，吸附能力也就越大，与气体反应得就越快，其灵敏度也越高，因此传感器的纳米化是制备高灵敏度气体传感器的最佳方法之一。半导体纳米团簇具有比表面积大，相对气体阻抗变化大的优点，因而可以满足气体传感器灵敏度较高、使用温度下检测范围大的要求。纳米材料有显著的表面效应，体积效应、量子效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，使得它应用很广。二、掺杂，添加其他催化剂或添加剂各种不同贵金属或其氧化物的掺杂改变了SnO2表面或内部活性，不同程度改善了灵敏度和选择性，降低了工作温度。掺杂SiO2可降低反应温度，提高对CO、H2的气敏效果；掺杂PdCl2，有效降低活化能，同时掺杂SiO2和PdCl2效果更佳；掺杂CuO(2.4％一4.6％)对H2S气体有较高灵敏度和较好响应恢复特性且功耗低；掺杂MgO、A1203、CaO加快气体吸附速度；CdO、PbO、CaO的掺杂改变烧结特性。三、利用过滤设备增强选择性在传感器上设置一层薄膜，该膜层可以选择性地通过或阻止某些气体而提高元件的选择性。如SiO2提高对H2的选择性，聚四氟乙烯可防止水分进入传感器。但透气膜的使用在一定程度上降低了灵敏度。四、改进制备方法制备SnO2粉体方法的很多，报道较多的有：低温等离子体法，测射法，沉淀法，水热法，溶胶—凝胶法，化学气相沉积法等。制作薄膜型气敏器件，用湿化学方法(沉淀法、溶胶—凝胶法)制原料等，或是在原有的制备方法上加以改良，例如，采用溶胶—凝胶—超临界流体干燥法，获得粒径较小的纳米材料，都能改善材料的气敏性。随着工业生产和环境检测的迫切需要，纳米气敏传感器己获得长足的进展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。这是因为纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点：纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；工作温度大大降低；大大缩小了传感器的尺寸。纳米气敏元件复合型半导体气敏元件利用互补反馈和互补增强原理制备复合型半导体气敏元件是提高气敏选择性的一种新方法。复合型半导体气敏元件一般由2种具有不同敏感特性的敏感体构成，按照敏感体半导体类型的不同，可以分为n+n、p+p、n+p型复合气敏元件。通过这种方法，气敏元件的灵敏度和选择性获得了乘积放大。有非常好的灵敏度和选择性。并且由于它的选择性是从元件组装和电路放大中获得的，能较好地排除材料制备中不确定因素的影响，克服常规方法从材料本身提高选择性的缺点。虽然气敏传感器已经引起了广大科研工作者的重视，并在安检、报警、检测等领域取得初步成效，但是，并没有将其作用完全发挥出来，今后，主要有三个方面的工作：气敏传感器发展展望气敏机理的研究气敏材料多种多样，包含很多金属氧化物以及掺杂物，却对不同气体有不同气敏性。只有对气敏机理有深入的认识，在气敏传感器领域才能有真正的突破。开发新型气敏材料包括找寻气敏性良好的新型金属氧化物或复合金属氧化物，采用掺杂技术（特别是过渡金属及其氧化物）改善材料的气敏选择性，以及在气敏材料制备中引入新技术，纳米气敏材料是其中最有潜力的一种。提高检测技术应用微电子技术、自动化及控制技术，实现传感器智能化、集成化、多功能化。谢谢！