WO_3基气敏传感器
气敏传感器
蜂鸣器
R1
气敏传感器
R3
SCR
~U
R6
R2
R4
W
R5
氖管 NTC电阻
PTC电阻 氖管 B R2
R3
BCR BZ 蜂鸣器 R4
~U
气敏传感器
R1
图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电1～2min后，阻值急剧 增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管Biblioteka 气敏传感器BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
2.3 工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
三种纳米结构三氧化钨的气敏性研究
三种纳米结构三氧化钨的气敏性研究王新刚;郭一凡;田阳;刘丽丽;张怀龙【摘要】Utilizing ammonium metatungstate [(NH4)6W12O40] as raw material, we produced three kinds of nanostructured WO3 under the same reaction conditions by controlling the concentration of citric acid (C6H8O7). The nanostructured WO3 was characterized by XRD, SEM and TEM. Then, three kinds of gas sensors including WO 3 nanorod gas sensors, WO3 nanoplate gas sensors and WO3 nanoplate/nanorods mixing gas sensors were further manufactured. The sensitivity was measured for three kinds of nanostructured WO 3 gas sensors under the condition of acetone, ammonia and formaldehyde gas respectively. Experimental results show that the sensitivities of the three kinds of nanostructured WO3 firstly increase and then decrease with the increase of temperature at gas concentration of 1 000 ×10-6. In contrast, the sensitivity of WO3 nanoplate gas sensors is the highest among the three kinds of nanostructured WO3 for the three kinds of gases in the range of measuring temperature. The opt imum operating temperature of WO3 nanoplate gas sensor is 350 ℃, 300 ℃, 325 ℃, 250 ℃ and its maximum sensitivity is 25.4, 18.52, 30.29, 18.31 in acetone, ammonia and formaldehyde gas, respectively. The sensitivity of the three kinds of nanostructured WO3 firstly increases and then decreases with the increase of temperature in the acetone gas of 50 × 10-6 and the formaldehyde gas of 100×10-6, respectively. The sensitivityof WO3 nanoplate is obviously higher than that of other twonanostructured WO3. At the optimum operating temperature, the acetone and formaldehyde gas with lower concentration can be detected by using nanoplate WO 3 gas sensor.%试验以偏钨酸铵为钨源，采用水热法在相同的反应条件下，通过控制柠檬酸的加入量，合成了三种纳米结构的三氧化钨，并采用XRD、SEM和TEM对合成的WO3粉末进行分析。
气敏传感器
气敏传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，用来检测气体类别、浓度和成分。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。
目前实际使用最多的是半导体气敏传感器，因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。
按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非半导体式气敏元件则是根据气体的吸附和反应，使其某些关系特性发生改变，来对气体进行直接或间接的检测，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。
表1为半导体气敏元件的分类：表1 半导体气敏元件的分类气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。
WO_3基燃气敏感元件的研制
第17卷第3期 湖南工程学院学报 Vo1.17.No .32007年9月 Journalof Hunan I nstitute of Engineering Sep t .2007收稿日期3基金项目湖南省教育厅科研基金资助项目(558)作者简介邓永和(),男,讲师,研究方向气敏智能材料、计算物理学WO 3基燃气敏感元件的研制邓永和1,王冬青1,胡爱钦1,于风梅2(1.湖南工程学院数理系,湖南湘潭411104;2.湖南工程学院数理系应用物理0601班,湖南湘潭411104) 摘 要:在三氧化钨粉体材料中加入4wt %瓷粉,以恒温600℃烧结1h 制成旁热式厚膜可燃性气体敏感元件.采用静态电压测量法,研究了元件的加热功率与元件灵敏度的关系,讨论了元件的响应与恢复特性.实验结果显示:WO 3基元件在加热功率为600m W 时能开发成理想的乙醇、丙酮和汽油敏感元件.关键词:气体敏感元件;WO 3基;灵敏度;旁热式中图分类号:TP212.2 文献标识码:A 文章编号:1671-119X (2007)03-0031-030 引 言三氧化钨粉体材料是较早期研究开发的半导体气敏材料之一,先后出现了以三氧化钨为基体,添加贵金属催化剂制作出了还原性气体的气敏元件[1][2],并相继出现了用于检测H 2S [3][4]、NO 2[5][6]、N O x [7]、NH 3[8]等气敏元件.以上的工作比较全面的探讨了WO 3基元件对单一气体的气敏特性,取得了较好的研究成果,而目前对WO 3基元件在某一个相近系列的气体群或混合气体内探讨元件的气敏性能一直很少报道.有一些文献[1][2][4]显示气敏元件在制备过程中,添加剂的不同,会直接影响到材料的气敏特性.近年来,随着人们生活水平和环保意识的加强,人们对气敏元件提出了更高、更广的要求,在以三氧化钨为基体的元件中添加少量其他物质,能很好的改变元件对敏感气体的选择性和提高元件的灵敏度,因此备受国内外学者的关注.目前天然气、煤气等已经被广泛应用到生活与生产中,汽油、酒精等易挥发的可燃性气体也和人们的生活密切相关,研究一种能够迅速准确的检测这些与生活密切相关的可燃性气体的敏感元件是必要的,也能够适用于矿区可燃性气体浓度的检测,有效地避免安全事故的发生.1 试 验1.1 元件材料与制作工艺试验过程中在三氧化钨分析纯中按物质的质量比加入4%的瓷粉经球磨,采用传统的工艺制作成旁热式厚膜气敏元件,放入马弗炉中以恒温600℃烧结1h,放在空气中自然冷却,用金属铂作为电极,普通的自制绕线电阻作为加热电阻.1.2 测试原理图1 测试原理图 测试电路原理图如图1所示,利用元件电阻的变化引起回路中电阻R L 两端电压的变化,用电压表:2007-0-20:0C 7:1974-:.测量R L 两端电压V L ,测量回路电源采用稳定性很强的电压源,其中V H 为加热电压,V C 为测试电路的工作电压,V S 为元件在一定体积分数的被测气体中R L 两端电压,V 0为元件在空气中R L 两端电压,试验采用静态电压法测试.元件的静态电阻值R [1]:R =(V C V L-1)R L ;(1)元件对被测气体的灵敏度β[1]:β=V S V 0;(2)实验过程中,在一定气体浓度中,R L 两端电压变化到在同样的气体组分与浓度中R L 两端稳定电压的70%和90%时所经历的时间为响应时间;元件从被测气体中置于空气中,R L 两端电压变化到空气中稳定R L 两端电压的70%和90%时所经历的时间为恢复时间.2 实验结果与讨论2.1 气敏特性从表1中可以看出,在不同的加热功率下,元件对相同浓度的各种气体的灵敏度不同,且灵敏度峰值所对应的加热功率也不同,反映了元件对不同气体敏感时的工作温度要求是不同的,要使元件对气体的敏感性能最优,要求我们选择一个比较适合的工作温度.表1显示汽油在加热功率增加的过程中,灵敏度一直呈下降趋势,在低加热功率时,具有很高表1 气体的体积分数为10-3,元件的灵敏度β与加热功率的关系气体200m W 300mW 400m W 500m W 600m W 700m W 800m W 汽油52.1343.0229.2619.5913.879.188.24丙酮 2.457.9314.1518.2717.9318.5815.15乙醇2.16 4.248.079.169.648.237.85CH 4 1.05 1.10 1.16 1.20 1.301.35 1.24CO1.131.281.321.191.161.121.10的灵敏度,远远大于其它的气体,表现出很高的气体选择性.主要是因为低温时,汽油分子在元件表面吸附能力较强,随工作温度的增加吸附能力在下降,元件的灵敏度也会下降,对于汽油外的其他被测气体,元件的加热功率增加到一定时,气体与元件表面的吸附反应加强了,故灵敏度在增加.当加热功率大于700mW 时,元件的灵敏度都下降了,主要表现为由于元件温度的升高,元件本身的电阻率增加比较大,元件与气体的吸附反应能力也在减小,由吸附反应引起的电阻率的减小以及由工作温度增加引起的电阻率增加相互抵消一部分,元件的灵敏度下降了对于除汽油外的其它气体元件在加热功率为600mW 时,元件的灵敏度是比较大的,灵敏性能比较好.实验元件在加热功率为600mW 时,元件对被测气体的灵敏度β与气体浓度的关系见表2,元件对丙酮和汽油很敏感,其次是对乙醇,元件对低浓度的丙酮、汽油、乙醇具有很强的检测能力,比较适合开发出性能优越的气体传感器.而元件对C O 、CH 4的敏感性能却不理想.表2 试验元件在加热功率为600mW 时,元件的灵敏度β与气体体积分数的关系气 体气体体积分数(10-6)1002005001000汽油13.8716.6728.3448.13丙酮17.9319.7825.1434.02乙醇9.0410.2513.9720.14CH 41.101.121.201.312.2 响应与恢复特性元件的响应与恢复特性与元件的材料组成、工作温度、气体成分等因素有关,表3给出了元件在加热功率为600m W ,气体体积分数为10-3时元件的响应与恢复时间.响应的速度快慢依次为丙酮、汽油、乙醇,恢复速度的快慢依次为丙酮、乙醇、汽油,可以发现丙酮具有很好的吸附与脱附能力,比较适合于开发快速反应气敏元件.汽油和乙醇的脱附时间比较长.在实验过程中我们发现当加热功率小于450m W 时,元件的响应时间变化显著,加热功率大于450m W 后,响应时间的改善就不大了,而恢复性能则要求更高的加热功率,当加热功率达到800m W 时,元件的恢复时间就没有很大的变化了.因此在开发元件时,选取合适的加热电压和加热电阻,使加热功率在600m W 时,元件的性能比较好.表3 加热功率为600mW ,气体体积分数为10-3时,元件对不同气体的响应与恢复时间气 体响应时间(s )恢复时间(s )变化70%变化90%变化70%变化90%汽油11.522.338.2107.1丙酮8.314.218.555.0乙醇16.532.028.170.02.3 初期驰豫特性在实验中发现,WO 3基元件的电阻对温度的变化有一个滞后,元件的电阻从加热开始要经过一段时间后才会稳定下来,出现了初期驰豫特性通过测量元件在一定温度下稳定的静态电阻和以一定的升温速率达到同一温度的动态电阻的比较,动态电阻23 湖南工程学院学报 2007年..在300℃的温度下升温先下降,当温度高于300℃后升温,动态电阻开始上升,呈现出一定的半导体特性.在不同的加热功率下,元件达到的稳定值不同,需要的时间不同,加热功率越大电阻的极小值越小,达到极小值所需的时间也越短.3 结论(1)WO 3基中加入质量比为4%的瓷粉制作的旁热式气敏元件对丙酮、汽油、乙醇具有很强的敏感性能,对CO 、CH 4几乎不敏感;(2)WO 3基气敏元件的工作温度直接影响元件的灵敏度,对丙酮、汽油、乙醇在加热功率为600mW 时,具有很好的敏感性能和稳定性能;(3)元件对丙酮具有很好的响应与恢复性能,适合开发快速反应的气体敏感系统.参 考 文 献[1] 邓永和,唐世洪,谭子尤,等.掺杂离子对O 3气敏元件的影响[J ].传感器技术,2002,21(4):13-14.[2] 刘金浩,王 豫,董 亮,等.WO 3基功能材料的研究进展[J ].中国钨业,2005,20(5):17-21.[3] 全宝富,孙良彦.WO 3材料对H 2S 气体的敏感特性[J ].传感器世界,1996,2(2):27-30.[4] 黄世震,林 伟.纳米WO 3-ZnS 系H 2S 气体元件的研制[J ].传感器技术,2001,20(1):21-22.[5] 黄世震,林 伟.纳米WO 3材料对NO 2气敏特性的研究[J ].福州大学学报:自然科学版,2001,29(1):25-27.[6] T ongM S,Da G R,W u YD,et al .WO 3thin fil m preparedby PEC VD T echnique and Its Ga s Ensing P ro pe rties to NO 2[J ].Journa l of Ma t e rials Science,2001,36(10):2535-2538.[7] 赖云锋,黄世震,林 伟,等.用纳米WO 3制作NO x 气敏元件[J ].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2000,15(4):49-51.[8] 李 玲,潘庆谊,程知萱,等.C NT -WO 3元件的氨敏特性研究[J ].无机材料学报,2006,21(1):151-156.Research on Com bustible Ga s Sen s or of WO 32Ba sedD E N G Yong -he 1,WAN G Dong -qing 1,HU A i -qin 1,Y U Feng -mei(1.Depa rt ment of Ma thematics and Physics,Hunan I nstit ute of Enginee ring,Xi angtan 411104,China;2.Appgied Physi c s 0601,Dept .of Ma ths .and Phy .,Hunan I nstit ute of Enginee ri ng,Xi angtan 411104,Ch i na )Abstrac t:M ixing 4w t%of porce lain powder int o WO 32based and hea ting f or one hour at stable te mperature 600℃,the heating ty pe thick fil m c om bustible gas sensitive sens or is m anuf actured.The r e lati onshi p bet ween thetepef acti on power and the sensitivity of sensors is studied,and the responding and rec ove r y ti me pr operty is a lso discussed ba sed on the steady v oltage m easure m ethod .The r e sults show that the most opti mum WO 32based com 2bustible gases (ethanol,acet one and ga s oline )sensitive sens ors a r e developed w ith 600mW tepefaction power .Key wor ds:gas sensitive sensor ;WO 32based;sensitivity;heating type33第3期 邓永和等:WO 3基燃气敏感元件的研制。
气敏传感器的分类
气敏传感器的分类气敏传感器是一种常用的传感器，用于测量气体浓度和其他气体特性。
气敏传感器根据其感知材料类型和传感器结构可以分成多种类型。
一、基于感知材料分类1.半导体气敏传感器半导体气敏传感器的感知材料是一种硫化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、钨三氧化物(WO3)等半导体材料。
在气体进入传感器后，半导体材料表面的电子结构会产生变化，导致电阻率发生变化，从而实现测量气体浓度的目的。
半导体气敏传感器体积小、响应速度快、能耗低、价格相对较低。
2.电化学气敏传感器电化学气敏传感器的感知材料通常是一种贵金属或其合金，如白金、铂铑合金等，其原理是将气体与电解液接触后，气体分为氧化或还原的反应，被感知材料所吸收或反应。
这种传感器具有高灵敏度和高选择性，但价格相对较高，且需要在特定的环境中使用。
光学气敏传感器的感知材料是一种可以与气体反应的荧光分子，当气体进入传感器后，荧光分子会产生变化，从而导致光学信号的变化，通过检测光学信号的变化可以实现气体浓度的测量。
这种传感器具有高灵敏度和高选择性，但价格相对较高。
二、基于传感器结构分类红外型气敏传感器是一种基于红外吸收原理的传感器，它可以测量气体的分子结构。
当气体进入传感器后，红外光源发出红外光束，气体会吸收其中的特定波长，通过检测红外光束的强度变化可以实现气体浓度的测量。
电容型气敏传感器是一种将电容作为感知元件的传感器。
当气体进入传感器后，感知元件所在区域的介电常数会发生变化，从而导致电容值发生变化，通过检测电容值的变化可以实现气体浓度的测量。
总之，气敏传感器可以根据其感知材料类型、传感器结构等多方面的因素进行分类。
不同类型的气敏传感器在其应用领域和技术特点方面有所不同，具体的使用需要根据实际需求进行选择。
WO3薄膜气敏光学传感特性研究
Ｃ Ｏ １示 值 误 差 士 ２ ， ＲＰ ０ ， 配气 时 采用 氮 气 作 为零 气 ，
测试气 体氢 气作 为 标气 。 图 １ 示为 掺 Ｐ 所 ｄ的 ＷＯ。 薄膜 在未 通氢气 时及 通 入浓 度为 ０ ２ 氢 气 时 的透光 率 。 ．
开 始 受 到人 们 重 视 ， 国、 色 列 以及 美 国等 先 后 对 德 以 ＷＯ。 的气致 变色 特性展 开 了研究 ［ ７。 ５ ］ ￣ 近几 年我们 对 ｗＯ。 其 掺 杂 薄 膜 的 制 备 、 构 、 及 结 性质 、 气致 变色 及 气 敏 机理 作 了大 量 研 究 。本 文 主要
温度下 烘干 。
些材 料制作 的气 敏器 件一般 是 根据 其 电阻 与气 体 浓度 的关 系来进 行 气敏 检 测 ， 作 气 敏 电阻 型 传 感 器 。该 称 类 传感 器 对 工 作 温 度 有 一 定 要 求 ， 般 需 要 加 温 至 一
６ ３ 以上 ， ７Ｋ 不适 合在 低温 和不 可加 电 场合 下 使用 。为 了克服 电阻型金 属 氧 化 物 气 敏材 料应 用 的局 限性 ， 近 年来 国内外开展 了一些 新材 料 气敏 光学 方法 的研 究 。 三氧 化钨是 一种 良好 的 电阻型 金属 氧 化物 气 敏材 料， 同时也 是一种 理想 的可 控变 色材 料 ， 实现 对 可见 能
维普资讯
助
能
雪 孝
料
２０ 年第８ ３） ０７ 期（ 卷 ８
Ｗ Ｏ３ 膜 气 敏 光 学传 感 特 性 研 究 薄
杨 晓 红 ， 新 强 ， 王 马 勇 冯 庆 ，
（ ．重庆 大学 数理 学 院 ， 庆 ４ ０ ４ １ 重 ０ ０ ４；２ ．重庆 师范大 学 物理 学 与信息 技 术学 院 ， 庆 ４ ０ ４ ） 重 ０ ０ ７ 摘 要 ： ｗＯ 。薄 膜 是 良好 的光 学 气敏 传 感 器材 料 。 采 用溶胶 凝胶 法制 备 了 Ｗｏ。 杂薄膜 ， 样品在 不 同 掺 对
掺杂对WO3基气敏元件敏感特性的影响
ＷＯ 粉体材料 是较 早期 研 究开 发 的半 导体 气敏 材料 。
之一 ， 近期出现 了以 ＷＯ 。为基 体 ， 添加 贵金 属催 化剂 制作 出了还原性气 体 的气敏 元 件 ＿ ， 相继 出现 了用于 检测 ｌ 并 ］
Ｈ２ Ｓ ， ＮＯ２ ５６ ［，３
２． ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｏ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＣｈｅ ￣ｒ ｎ ｅ ｃ ｌＥｎ ｉ ｅ ｒｎ Ｈｕ ａ ｎ ｔｔ ｔ ｆＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｍｉ ｙ ａ ｄ Ｃｈ ｍｉａ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ， ｎ ｎ Ｉ ｓ ｕ ｅ ｏ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ， ｉ
Ｘｉｎ ｔｎ４ １０ ， ｉｎ ） ａ ｇａ １ １ Ｃｈ ａ ４ Ａｂｔａｔ ｓｒｃ ：Ｍｉｉｇ ｘ ｎ ４％ ｏ ｐ ｒｅ ｉ ｐｗ ｅ ｎ ｉｅｅｔ ｕｌｙｆ ｃｉ ｅａ ｏｉｅ Ｓ Ｏ ，ｉ２ Ａ２ ３ ｎｏ ｆ ｏｃｌ ｎ ｏ ｄｒ ｄｄ ｆ ｎ ａｉ ａｔ ｎｍ ｔｌ ｘｄｓ（ ｎ ２ ＳＯ ， １ ）ｉ ａ ａ ｆｒ ｑ ｔ ｒ ｏ — ０ ｔ
ｍ ａ ｕ ａ ｔ ｒ ｄ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅｘ ｒｍ ｅ ｓ ａ ｄ ｐ ｉ ｔ ａ ｙ ｖ ｌａ ｅ ｍｅ ｓ ｒｎｇ ｎ ｆ ｃｕ ｅ ｓ ｄ ｏ ｈ ｐｅ ｉ ｎｔ ｎｄ ａ ｏ ｔｎｇ ｓｅ ｄ ｏｔｇ ａ ｕ ｉ ｍｅｈｏ ｔ ｅ ｅａｉ ｎ ｈｐ ｂｅｗｅ ｎ ｔ ｄ， ｈ ｒｌ ｔｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｔ ｅ ｈ ａ ｏｔ ｇ ｎ ｈ ｅ ｓｔｖｔ ｆｓ ｎ ｏ ｓｓｕｄｅ Ｅｘ ｅ ｍ ｅ ｔｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ｔ ｈｅｓ ｎ ｉ ｖｔｅ ｆＷ Ｏ３ ｂ ｓ ｄ ｈ ｅ ｔｖ ｌａ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｎ ｉｉｉｙｏ ｅ ｓ ｒｉ ｔ ｉｄ． ｐ ｒ ｉ ｎ ｅ ｕｌｓｓ ｗ ｈａ ｔ ｅ ｓｔ ｉｉｓｏ ｉ 一ａｅ ｃ ｍｂｕ ｔｂｅ ａ ｅ ｓ ｎｓｔｖ ｓ ｎｓ ｒ ｒ ｉ ｐ ｏ ｅ ｂ ｄ ｐｉｇ ｉｆｒ ｎｔ ｕａｉｙ ｒ ｃｉ ｎ ｏ ｓｉ ｌ ｇ ｓ ｓ ｅ ｉｉｅ ｅ ｏ ａ ｅ ｍ ｒ ｖ ｄ ｙ ｏ ｎ ｄ ｆｅ ｅ ｑ ｌ ｆａ ｔｏ ｍｅａ — ｘｄｅ ｗｉｈ ｈ ｔ ｔｌｏ ｉ ｓ ｔ ｔ ｅ
气敏传感器工作原理
气敏传感器工作原理
气敏传感器是一种用于检测气体浓度或气体特性的传感器。
它们基于气体与敏感材料之间相互作用的变化来实现气体检测。
下面是一般气敏传感器的工作原理：
敏感材料选择：根据需要检测的气体种类和特性，选择适合的敏感材料。
常用的敏感材料包括金属氧化物（如二氧化锡、二氧化钛）、半导体材料（如硅、锗）以及聚合物材料等。
基线电阻测量：在传感器未受到气体作用时，测量敏感材料的基线电阻值。
基线电阻是指在没有目标气体存在时的敏感材料的电阻值，它通常是一个稳定的参考值。
气体作用：当目标气体接触到敏感材料时，气体分子与敏感材料表面发生化学反应、吸附或吸收等作用，导致敏感材料的电学特性发生变化。
电学信号变化：敏感材料的电学特性的变化导致传感器输出电信号的变化。
这些变化可以是电阻、电容、电压或电流的变化，取决于传感器的工作原理和设计。
信号处理：传感器输出的电信号经过信号处理电路，如放大、滤波和线性化处理，以提取有效的气体浓度信息。
气体浓度检测：通过与预先建立的校准曲线或算法进行比较，将传感器输出的电信号转换为对应的气体浓度或指示气体特性
的数值。
气敏传感器利用敏感材料与目标气体之间的相互作用来实现气体检测，通过测量电学特性的变化来获得目标气体的相关信息。
不同类型的气敏传感器采用不同的敏感材料和工作原理，因此其具体的工作原理会有所不同。
气敏传感器工作原理及应用
气敏传感器工作原理及应用气敏传感器是一种能够感知气体浓度变化并将其转化为电信号的传感器。
它是通过一种特别的物理或化学反应来实现的，当特定气体分子接触到传感器的感应层时，会产生化学反应或物理性质的变化，这种变化可以被传感器检测到并转化为电信号输出。
一般来说，气敏传感器可以分为两大类：基于电阻变化的传感器和基于电容变化的传感器。
基于电阻变化的传感器中最常见的是金属氧化物半导体传感器（MOS）。
这类传感器的感应层由一种或多种金属氧化物组成，当目标气体与感应层接触时，其电阻值会发生变化，这种变化与目标气体浓度呈正相关。
例如，常用的氧气传感器就是利用金属氧化物感应层的电阻值变化来检测氧气浓度的。
基于电容变化的气敏传感器则是通过感应层与探测电极之间的电容变化来检测气体浓度的。
当目标气体接触到感应层时，感应层的电容值会发生变化，这种变化可以由传感器测量电路检测到并转化为电信号输出。
气敏传感器广泛应用于许多领域，以下是一些常见的应用示例：1.空气质量监测：气敏传感器可以用于监测室内和室外空气中的有害气体浓度，如CO2、CO、甲醛等，用于提醒人们做好防护措施，保障健康。
2.工业安全监测：在工业生产中，许多化学物质具有毒性或易燃性，气敏传感器可以用于检测这些气体浓度，及时发现异常情况并采取相应措施，确保工作环境的安全。
3.火灾报警系统：气敏传感器可以用于检测火灾产生的有害气体，如烟雾、一氧化碳等，一旦检测到异常浓度，可以及时发出警报并采取紧急措施。
4.环境污染监测：气敏传感器可以用于监测大气中的有害气体浓度，如二氧化硫、氮氧化物等，帮助评估环境污染程度和制定相应防治措施。
5.智能家居：气敏传感器可以用于检测厨房或浴室中的有害气体，如煤气泄漏、液化气泄漏等，及时发出警报并切断气源，避免潜在的安全隐患。
总结起来，气敏传感器通过感应层与目标气体的相互作用来感知气体浓度变化，具有灵敏度高、响应速度快等特点，可广泛应用于环境监测、工业安全、火灾报警等领域，起到保护生命和财产安全的重要作用。
气敏传感器的原理与应用论文
气敏传感器的原理与应用论文1. 引言气敏传感器是一种能够将气体浓度转化为电信号的设备，具有在工业、环境、医疗领域等方面广泛应用的潜力。
本文将介绍气敏传感器的工作原理以及其在不同领域中的应用。
2. 气敏传感器的工作原理2.1 传感器结构气敏传感器主要由传感元件和信号处理电路两部分组成。
传感元件通常由敏感材料制成，其结构一般包括电极、敏感膜和基底层。
2.2 工作原理气敏传感器的工作原理基于敏感材料对目标气体的选择性吸附或催化反应。
当目标气体与敏感材料接触时，会改变敏感膜的电学性质，进而引起传感元件的电阻或电容变化。
2.3 敏感材料的选择不同的气敏传感器选择不同的敏感材料，以实现对特定气体的高度选择性。
常见的敏感材料包括二氧化锡、金属卟啉、氧化锌等。
3. 气敏传感器在工业领域中的应用3.1 环境监测气敏传感器可用于检测工业环境中的有害气体浓度，如二氧化硫、一氧化碳等。
通过实时监测气体浓度，可以及时采取措施，确保工作环境的安全。
3.2 气体检测气敏传感器还被广泛应用于气体检测系统中，用于检测可燃气体、有毒气体等。
该技术在家庭和工业领域中都有广泛的应用，如天然气泄露检测、工厂爆炸危险检测等。
3.3 医疗器械气敏传感器在医疗器械中的应用也越来越广泛。
例如，呼吸机使用气敏传感器检测病人的呼吸情况，能够实时监测呼吸气体的浓度，确保治疗效果。
4. 气敏传感器的性能指标4.1 灵敏度气敏传感器的灵敏度是评价其性能好坏的重要指标。
高灵敏度意味着传感器对目标气体的检测响应更快、更准确。
4.2 选择性选择性是指传感器对目标气体的检测能力。
好的气敏传感器应具备高度选择性，以排除其他干扰气体的影响。
4.3 稳定性稳定性是指传感器在长期使用中性能的可靠性和一致性。
稳定性好的传感器能够长期维持良好的检测性能。
5. 气敏传感器的发展趋势随着科技的进步和应用需求的增加，气敏传感器也在不断发展。
未来，气敏传感器有望实现微型化、高灵敏度、低功耗等特性，并在更多领域得到广泛应用。
CNT-WO_3气敏材料的显微分析
１ 实 验
在分 析纯 钨粉 中加 人 适 量双 氧 水 并 连续 搅 拌 ， 反 应 得到乳 白色悬 浊 液 ， 乳 液在 高 速 冷 冻 离心 机 将 中分 离 ， 到 透 明澄清 的溶液 ， 得 在溶 液 中加人适 量无 水 乙 醇和冰 醋 酸 ， 静置 后 得 到 溶 胶 。将 溶胶 放 入 干 燥 箱 ， １０ ｏ 件 下 保 温 形 成 干 凝 胶 ， 磨 后 在 在 ２ Ｃ条 研
究 已有 较 多 报 导 ¨ 然 而 ， 为 气 敏 材 料 使 用 的 ， 作
、
Ｃ ＴＷＯ Ｎ — 粉体 的分 散 工 艺 和 显 微 形 貌 及 粉 体 的 气
敏 特性机 理 的研究 报 导并不 多见 。这 方 面 的研 究对 提 高 Ｃ ＴＷＯ Ｎ — 气 敏材料 的性 能 有重要 作用 。
Ｃ Ｔ ＷＯ Ｎ — ３气敏材料 的显微分析
陈 环 ， 文锐 ， 金 傅 刚
（ 州大 学物理 与 电子 工程 学院 ，广 东 广 州 ５ ０ ０ ） 广 １０ ６
摘 要 ： 用溶 胶 一 胶 法 制备 三 氧 化钨 （ 纳 米 粉 体 ， 采 凝 ＷＯ ） 然后 在 Ｗ Ｏ 粉 体 中添加 碳 纳 米 管 （ Ｎ ） 经 热 处理 形 成 ， ＣＴ，
并焊 接在 基 座上制 成气 敏元 件试 样 。
用 ＪＭ－ ３ Ｆ型 冷场发 射 扫描 电子显微 镜观 察 Ｓ ６ ０ ３ 气敏 材料 的显 微形 貌 。用 Ｄ ＭＡ ２ ０ — Ｘ ２ ０型 Ｘ射 线衍
本文 中采 用 溶 胶一 胶 法 制 备 ＷＯ 凝 纳 米 粉 体 ，
将超 声 振荡 分散后 的 Ｃ Ｔ与 ＷＯ Ｎ 纳米 粉 体 充分 球
料 ， 用 Ｃ Ｔ导 电性 能 好 和气 体 吸 附 率 高 的 优 点 ， 利 Ｎ
气敏传感器的原理及应用
气敏传感器的原理及应用概述气敏传感器是一种常见的传感器技术，通过对气体的浓度、压力或其他性质进行检测，可以实现对气体的定量或定性分析。
本文将介绍气敏传感器的基本原理和常见的应用。
气敏传感器的原理气敏传感器的工作原理基于气敏材料的特性。
气敏材料是一种能够对特定气体或气体组分产生敏感性反应的材料。
当目标气体与气敏材料接触时，会引发气敏材料内部的化学或物理反应，导致材料的电学性质发生变化。
气敏传感器通过测量这种电学性质的变化来判断目标气体的浓度或存在与否。
气敏传感器的工作原理气敏传感器通常由气敏材料、敏感层、电极等组成。
当目标气体进入敏感层时，与敏感层中的气敏材料发生反应，引起电极上的电流或电压发生变化。
这种变化可以通过测量电极上的电信号来获取目标气体的相关信息。
气敏传感器的分类气敏传感器根据其工作原理和材料特性的不同，可分为以下几类： 1. 气敏电阻型传感器：敏感层是一种气敏电阻材料，其电阻随着目标气体浓度的变化而变化。
最常见的气敏电阻型传感器是以二氧化锡（SnO2）作为敏感材料的，适用于燃气检测、环境监测等领域。
2. 半导体氧化物气敏传感器：敏感层主要由半导体材料构成，常用的气敏材料有二氧化钛（TiO2）、二氧化锰（MnO2）等。
半导体氧化物气敏传感器常用于空气质量检测、工业排气等应用。
3. 电化学气敏传感器：敏感层由一种或多种气敏电化学材料构成，一般用于检测有毒气体如CO、NO2等。
这类传感器通常具有响应速度快、灵敏度高的优点。
气敏传感器的应用气敏传感器在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：工业安全•监测有毒气体：气敏传感器可用于检测工业生产过程中产生的有毒气体，如硫化氢、氰化物等。
及时监测这些有害气体的浓度，可以避免事故和保护工人的安全。
•燃气检测：气敏传感器可以应用于家庭和工业燃气检测中，及时发现燃气泄漏并采取相应的措施，以确保人身和财产安全。
环境监测•空气质量监测：气敏传感器在空气质量监测中起着重要的作用。
气敏传感器的工作原理
气敏传感器的工作原理
气敏传感器是一种用于检测空气中特定气体浓度的传感器。
它的工作原理基于G机理，即气体吸附在敏感材料的表面上，
从而改变材料的导电性质。
通常，气敏传感器由两个电极和一个敏感层组成。
敏感层是一种由金属氧化物（如二氧化锡、氧化锌等）制成的材料。
这种材料具有良好的气敏性，即能够吸附气体并改变导电性。
当气敏传感器处于工作状态时，空气中的目标气体会通过器件表面。
目标气体分子会与敏感层表面的活性位点发生吸附作用。
吸附层的扩散层度取决于目标气体浓度。
当吸附层上的气体分子吸附得越多，敏感层的导电性就会发生变化。
这是因为吸附分子的存在会影响敏感层中电子的传输，从而改变电阻值。
因此，通过测量敏感层的电阻变化，可以确定目标气体的浓度。
为了提高气敏传感器的灵敏度和选择性，还可以对敏感层进行定向处理，例如添加催化剂或通过纳米结构改变敏感层的表面形貌。
总之，气敏传感器的工作原理是基于敏感材料表面吸附目标气体分子后导电性的变化来检测气体浓度的。
气敏电阻传感器的工作原理
气敏电阻传感器的工作原理气敏电阻传感器的工作原理是基于气敏电阻效应。
当传感器与气体接触时，气体分子与氧化金属薄膜表面发生化学反应，使得氧化金属薄膜的电阻发生变化。
这是因为氧化金属薄膜的电子迁移率与气体浓度成反比，当气体浓度增加时，电子迁移率减小，电阻增大；当气体浓度减小时，电子迁移率增大，电阻减小。
具体来说，气敏电阻传感器的敏感层是由氧化金属薄膜制成的。
当气体分子进入敏感层后，会与氧化金属薄膜表面的活性位点发生反应。
这些反应会导致氧化金属薄膜的电子能带结构发生改变，从而改变了电子的迁移率和电阻。
气敏电阻传感器的工作过程可以分为两个阶段：吸附阶段和反应阶段。
在吸附阶段，气敏电阻传感器与待测气体接触，气体分子被吸附在氧化金属薄膜表面，并与活性位点发生反应。
在反应阶段，吸附的气体分子与活性位点继续反应，从而导致电阻的变化。
根据气敏电阻传感器的工作原理，我们可以将其应用于气体浓度检测和控制领域。
例如，在工业环境中，气敏电阻传感器可以用于检测有害气体的浓度，如甲烷、二氧化碳等；在室内环境中，气敏电阻传感器可以用于检测空气质量，如甲醛、苯等有害气体的浓度。
气敏电阻传感器还可以与其他元件组成一个完整的气体检测系统。
例如，可以将气敏电阻传感器与微处理器、显示器等组合，实现气体浓度的实时监测和显示。
另外，还可以通过调整气敏电阻传感器的工作温度、敏感层材料和厚度等参数，来适应不同气体的检测需求。
气敏电阻传感器通过感知气体浓度变化并将其转化为电阻变化，实现了对气体浓度的检测。
其工作原理基于气敏电阻效应，通过氧化金属薄膜与气体分子的反应来改变电子迁移率和电阻。
通过应用于不同领域的气体检测系统，气敏电阻传感器在工业、室内环境等方面发挥着重要作用。
WO3气敏传感材料及器件的研究进展
文章编号:1001-9731(2020)12-12065-07WO3气敏传感材料及器件的研究进展*曾吉阳,荣茜,邓细宇,邝鑫雅,字包叶,马艺文,柳清菊(云南大学材料与能源学院,国家光电子能源材料国际联合研究中心,云南省微纳材料与技术重点实验室,昆明650091)摘要:随着人类的发展与社会的进步,人们对身边的环境问题越来越重视,尤其是对有毒有害气体的检测,而金属氧化物气敏传感器就可以解决这一问题㊂金属氧化物半导体气体传感器由于小巧㊁成本低廉㊁使用便捷㊁响应迅速等特点而被广泛的研究与应用㊂三氧化钨(WO3)作为一种典型的n型半导体气敏材料,因其独特的气敏性能在检测各种有毒有害气体方面引起了广泛关注㊂传感材料的结构与形貌㊁暴露晶面㊁氧化物和贵金属的引入对改善材料的气敏性能起着关键性的作用㊂总结了近几年对一维,二维和三维WO3材料的合成㊁界面的调控和对其改性方法㊁气敏性能的研究及相关机理的分析,提出了目前基于WO3的气敏传感器研究过程中存在的问题,并对其未来发展趋势进行了展望㊂关键词:气敏传感器;三氧化钨;纳米结构;气敏性能中图分类号: X502文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2020.12.0100引言随着现代工业的急速发展,天然气㊁煤炭和石油等资源的使用产生了大量的有毒有害气体,不仅对环境造成了巨大的污染,还严重威胁了人类的身体健康,这引起人们的关注[1]㊂而气敏传感器凭借能有效监测环境中的有毒有害气体成为了该领域的研究热点㊂气敏传感器主要分为半导体式㊁固体电解质㊁接触燃烧式㊁电化学式气敏传感器等几类;半导体式气敏传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类,电阻式传感器中以金属氧化物半导体气敏传感器应用最广㊂金属氧化物气敏传感器由于具有高灵敏度㊁低成本㊁稳定性好等特点在工农业生产㊁军事工程㊁医疗卫生㊁环境保护和人类生活等领域有着广泛的应用㊂其中,传感材料是核心㊂通常,金属氧化物半导体传感材料主要分为n型半导体材料,例如Z n O[2]㊁T i O[3]2㊁WO[4-5]3㊁I n2O[6]3㊁S n O[7-8]2㊁F e2O3[9-10]等;p型半导体材料如C r2O[11-12]3㊁C o3O[13-14]4㊁M n3O[15]4㊁N i O[16]和C u O[17-18]等㊂WO3作为一种典型的n型半导体金属氧化物,因为独特的光致变色㊁光催化㊁气敏等特性,得到了广泛的研究和应用[19-20]㊂金属氧化物半导体传感器的工作原理是通过被吸附的目标气体分子与气敏材料表面的化学吸附氧之间的反应而引起器件电阻的变化㊂因此,传感材料的形貌和微观结构对传感器的气敏性能有直接影响㊂目前对气敏材料的形貌调控及其相关气敏性能的研究有大量报道㊂本文综述了WO3的合成及其在气敏材料中的应用,概述了WO3气体传感材料的结构和基本机理,重点介绍了水热法㊁溶胶-凝胶法㊁静电纺丝法㊁离子溅射法等方法对WO3从0D到3D纳米结构形貌控制的研究和进展,分析了提高气敏性能的改进方法,并归纳了WO3气体传感材料目前存在的问题,对其未来发展趋势进行了展望㊂1 WO3晶体结构以及气敏机理WO3的能带间隙在2.6~3.2e V之间,理想的WO3晶体是一种类似于钙钛矿(R e O3)的晶体结构,在不同的温度条件下,WO3的晶体结构会呈现不同的晶型,如三斜晶系-δWO3㊁正交WO3㊁四方结构WO3㊁六方WO3㊁单斜晶系α-WO3和γ-WO3[21]㊂金属氧化物半导体气敏传感器的工作原理涉及了表面界面㊁气体吸附㊁催化㊁缺陷理论等多个方面,至今还没有一个完全统一的理论模型㊂对于WO3,吸附-脱附模型是大多数人接受的气敏机理模型,当传感材料暴露在空气中时,氧分子被化学吸附在WO3表面上,从导带中吸引电子而产生电子耗尽层,在一定温度下,吸附的氧可以进一步演化成活性氧离子,例如O2-㊁O-和O[22]2-,与目标气体分子反应从而引起材料的电信号变化㊂同时也发现电荷载流子受目标气体的浓度影响,例如,还原反应可以发生在还原气体和这些氧物种之间,导致被捕获的电子释放,见图1㊂作为广泛使用的定义,传感器响应S被定义为空气中传感器电阻(R a)与目标气体中传感器电阻56021曾吉阳等:WO3气敏传感材料及器件的研究进展*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51562038),云南省自然科学基金重点资助项目(2018F Y001-011)收到初稿日期:2020-07-01收到修改稿日期:2020-10-09通讯作者:柳清菊,E-m a i l:q j l i u@y n u.e d u.c n 作者简介:曾吉阳(1995 ),男,重庆荣昌人,在读硕士,师承柳清菊教授,从事气敏材料与器件的研究㊂(R g )的比值(R a /R g )㊂有时,响应S 被定义为相对电阻变化,即S =(R a -R g )/R g ㊂响应和恢复时间为传感器在吸附和解吸过程中完成总电阻变化的90%所需的时间㊂此外,其他参数如最佳工作温度(T )㊁选择性㊁检测极限㊁重复性和长期稳定性对于综合评估传感特性也很重要㊂图1 O 2和H 2S 分子在I n 2O 3@WO 3纳米层系结构界面的吸附和反应过程示意图[23]F i g 1As c h e m a t i cd e m o n s t r a t i o no f t h ea d s o r pt i o n a n d r e a c t i o n p r o c e s s o fO 2a n dH 2Sm o l e c u l e s a tt h ei n t e r f a c eo ft h e h i e r a r c h i c a lI n 2O 3@WO 3na n o s t r u c t u r e [23]由上述机理可知,金属氧化物气敏传感器的传感性能与其表面的氧空位有直接关系,形成氧空位越多,表面吸附氧物种越多,气敏性能越高㊂而晶面上原子的不同排列方式和悬挂键数量是不同晶面氧空位形成差异的关键㊂近年来,许多研究证实了在具有高能量暴露面的可控形貌显示出很好的传感性能㊂H a n [24]和他的同事报道过使用酒石酸来调节水热法合成的三羧酸WO 3纳米薄片中(001)㊁(100)和(010)的比例,研究表明暴露较多(010)面的样品对1-丁胺表现出更好的气敏特性㊂J i a 等[25]采用水热法合成暴露(100)和(002)晶面的WO 3纳米棒,结果表明,暴露(002)晶面的WO 3对丙酮的气敏性能比暴露(100)晶面的更好㊂T i a n 等[26]以末端为WO 的六角状WO 3的(001)面为基准,揭示了氧密度主导的气敏机理㊂研究发现,高氧密度有利于WO 3对CO 和H 2等还原气体的气敏性能㊂因此,晶面原子的不同排列方式对材料表面氧空位的形成产生影响,从而影响气敏性能㊂2 WO 3气敏传感器的研究进展2.1 零维结构WO 3气敏材料零维结构的材料主要为纳米球㊁纳米颗粒和量子点㊂关于WO 3纳米粒子气敏传感的报道并不是很多,虽然颗粒纳米化后的比表面积有所提高,但是不足的是纳米化后造成的大的界面阻碍了电子迁移,因此经常气敏性能不理想[27]㊂然而通过掺杂或者贵金属改性,可以提高其气敏性能㊂利用贵金属对WO 3进行改性,主要是利用贵金属的敏化及催化作用,敏化包括化学敏化和电子敏化㊂化学敏化主要是将氧分子解离成化学吸附氧,通过之前气敏机理分析可知,化学吸附氧数量的增加将会提高材料的气敏性能㊂电子敏化主要是让贵金属和金属氧化物之间形成肖特基接触,提高电子的移动速率,进而提高材料的气敏性能㊂催化则是催化分子氧的离解,以促进氧分子转化为WO 3表面上的活性氧物种㊂同时贵金属与WO 3表面发生相互作用,导致WO 3费米能级的变化,也有利于气敏性能的提高㊂L i 等[28]通过简单的水热合成法向WO 3纳米颗粒中掺杂入A u 原子,提高了WO 3纳米颗粒对二甲苯气体的响应,在225ħ的工作温度下有效检测浓度为5ˑ10-6,响应值为26.5,检测极限能到200p pb ㊂A u 的掺入催化分子氧的解离,使化学吸附氧的数量增加,并且可以降低二甲苯脱氢的活化能,使其更容易分解,导致更高的响应值㊂L i 等[29]采用了硫酸酸化N a 2WO 4制备了WO 3纳米粒子,并利用基于电子吸附机理的改性浸渍法对纳米粒子表面进行了R u 催化改性,得到了平均粒径为28n m 的R u 负载的WO 3纳米颗粒,对人体呼出气体中的丙酮进行检测,在300ħ下检测到1.5ˑ10-6浓度的丙酮气体,响应值为6.8,是纯的WO 3纳米颗粒的5倍,气敏性能得到了显著提高,这是由于R u 负载在WO 3表面是氧化态,产生电子敏化效应,提高电子转移速率㊂2.2 一维结构WO 3气敏材料在各种WO 3纳米结构中,一维WO 3结构例如纳米棒㊁空纳米管㊁多孔纳米线和纳米纤维因具有较高的比表面积,同时保持良好的化学和热稳定性,这使其电学性质对表面化学吸附非常敏感,使得有效面积和活性位点比其他结构高,已被证明可有效提高气敏性能㊂Q i n 等[30]通过溶剂热法合成了具有准取向的W 18O 49纳米线,在450ħ的退火温度下所得到的产物结构高度疏松,交联孔使气体的扩散更加容易,制成的气敏传感器对N O 2气体展现出高的灵敏度和较快的响应速度㊂单纯的WO 3无法满足较高的气敏要求,通过掺杂其他金属氧化物构建半导体异质结可以有效提高材料的气敏性能㊂WO 3为n 型半导体,通过掺杂p 型半导体或者n 型半导体,可以构成p -n 异质结[31]或者n -n异质结[32],促进电子迁移,提高气敏性能㊂S e u n g b o k C h o i 等[33]通过在氧化气氛中热蒸发WO 3粉末,合成了由C r 2O 3纳米颗粒修饰的一维WO 3纳米棒,形成了C r 2O 3-WO 3的p -n 结,对2ˑ10-4乙醇气体的响应值为5.58,是纯的WO 3纳米棒的4.4倍,C r 2O 3进入WO 3的晶格中,形成晶格缺陷,增加乙醇气体的附着点,导致气敏性能的提高㊂Q i n 等[34]通过诱导溅射法制备了一种高度有序排列的C u O -WO 3核壳结构的纳米棒状材料,使工作温度降至室温,并且对N O 2有着660212020年第12期(51)卷良好的响应与选择性,这些结果与核-壳界面异质结势垒和导电载流子积累通道的独特排列有关如图2所示㊂F e n g等[35]则采用P t@M I L-101和静电纺丝技术设计了P t-C r2O3-W O3复合纳米纤维,P t纳米颗粒的尺寸为3n m,对二甲苯表现出优异的响应,对5ˑ10-6二甲苯的响应值为75.3㊂增强的气敏性能归因于C r2O3-W O3异质结㊁C r2O3的催化活性㊁多孔结构㊁P t纳米粒子的电子和化学敏化㊂多孔纳米棒和纳米管等分级结构在气敏领域的应用也受到了广泛关注㊂W o n-T a e K o o等[36]采用逐层自组装的方法,在聚合纳米纤维模板上采用静电纺丝方法制备了多孔W O3纳米管,在高湿度(90%)的环境下,纯的WO3纳米管对5ˑ10-6N O的响应值为63.59,这是因为高湿度大气中的水分子分解成羟基,并将电子传递给W O3㊂D i n g等[37]则以棉纤维作为模板,通过简单的渗透和煅烧工艺合成了新型掺杂碳的W O3微管,碳的引入将W O3的带隙从2.45e V降到了2.12e V,W O3纳米管是由约40n m的纳米粒子组成,其内部存在大量的中空和大孔,使其拥有更大的比表面积,在90ħ的工作温度下对0.5ˑ10-6的甲苯响应值为40,检测极限为50p p b㊂S u n g h o o nP a r k等[38]则使用热蒸发技术合成了W O3纳米棒,并用离子溅射方法在W O3纳米棒表面负载了P t颗粒,P t颗粒负载使含氧物质的溢出㊁气体化学吸附和解离增强,改善了W O3纳米材料对C O和N O2气体的响应㊂图2 W18O49/C u O核壳纳米棒阵列气敏机理示意图:(a)N O2吸附示意图;(b)能带平衡前图;(c)能带平衡后图[34]F i g2S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t h e g a s-s e n s i n g m e c h a n i s mf o r t h eW18O49/C u Oc o r e-s h e l l n a n o r o d s a r r a y:(a)N O2a d s o r p t i o nd i a g r a m;(b,c)e n g e r y b a n dd i a g r a m so f t h e W18O49/C u Oc o r e-s h e l l n a n o r o d sb e f o r ea n d a f t e r e q u i l ib r i u m[34]2.3二维结构WO3气敏材料典型的二维WO3结构如薄膜㊁纳米片或纳米板,由于其高的比表面积㊁表面活性㊁表面极化和丰富的氧空位等而使其具有良好的气敏性能㊂S.S.S h e n d a g e 等[39]使用水热法合成了WO3薄膜材料,薄膜厚为90 ~150n m,在100ħ的工作温度下,对5ˑ10-6的N O2气体的响应为10㊂A b d e l h a m i dB o u d i b a等[40]使用水热法在180ħ的环境下反应48h合成WO3纳米板,在200~300ħ的工作温度与高湿度(50%)的环境下对S O2气体有着良好的响应,最低检测浓度为1ˑ10-6㊂T a n等[41]在陶瓷衬底上采用电子束蒸发沉积WO3薄膜,然后通过原子层沉积(A L D)在WO3薄膜表面沉积R h纳米颗粒㊂当R h的A L D沉积周期为20时,样品表现出最好的选择性,与纯的WO3相比,选择性提高了约110%,在350ħ的工作温度下,对5ˑ10-6的C H4有着63.1的响应值,且最低检测浓度为0.1ˑ10-6,这可能是由于R h纳米粒子的表面催化作用㊂T a r oU e d a等[5]通过硝酸酸化钨酸钠制备WO3薄膜,再将R u掺入WO3中,R u的加入不仅使WO3对甲硫醇的最佳工作温度从175ħ降至125ħ,还提高了其对甲硫醇的催化活性,可以将甲硫醇降解为C O2,S O2和H2O㊂L i等[23]在WO3纳米片表面进行插入和拓扑化学转化,通过微波辅助在WO3纳米片上合成了分级I n2O3纳米复合材料(I n2O3@WO3),尺寸范围为12~20n m的I n2O3纳米粒子均匀固定在WO3纳米片的表面上,I n2O3@WO3样品在150ħ下对1ˑ10-576021曾吉阳等:WO3气敏传感材料及器件的研究进展H2S的响应高达143,是WO3纳米片的4倍,是纯I n2O3纳米晶体的13倍㊂石墨烯是一种新型二维材料,它由碳原子以s p2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格,自发现以来,因其优异的力学㊁电学㊁光学等特性,在众多科研领域得到应用㊂石墨烯具有热稳定性好㊁比表面大的特点,表面丰富的缺陷以及官能团可提供大量的化学活性位点,此外,较大的比表面积有利于WO3等其他传感材料分布均匀,通过协调效应增强传感性能㊂石墨烯与WO3复合,可以有效提高WO3的气敏性能㊂N o v i k o v等[42]合成了基于外延石墨烯的气体传感器并对其进行了优化,并通过进一步的退火显著改善了气敏性能,对N O2气体的响应比未退火石墨烯传感器的响应值高十倍,并且检测下限为0.6p p b㊂性能的提高是由于制备的氧化石墨烯-WO3复合纳米纤维具有特殊的多孔结构,并且氧化石墨烯纳米片与WO3纳米颗粒之间形成欧姆接触,有效改善了材料的比表面积和气体吸附能力㊂近些年石墨氮化碳(g-C3N4)因其优异的性能以及大的比表面积,吸引了众多关注㊂S.V i j a y a k u m a r 等[43]采用微波辐射制备了WO3-石墨氮化碳复合材料,WO3纳米颗粒分散于g-C3N4表面,制备成聚甲基丙烯酸甲酯光纤包层的光纤气体传感器,对乙醇有较好的选择性和灵敏度㊂2.4三维结构WO3气敏材料三维WO3是由纳米粒子㊁纳米片形成分级结构,典型的形状有微球㊁纳米花状㊁海胆状结构㊁介孔结构等不规则结构㊂由于独特的形貌结构,因此具有较大的比表面积㊁丰富的孔隙率,使其对各种气体有较高的气敏性能㊂因此,与其他维度的WO3传感材料相比, 3D分级多孔结构被认为是更有发展潜力的气体传感材料㊂W a n g等[44]通过钨酸钠酸化方法合成了由多个不规则的纳米片组成的纳米花状结构,由这些层片结构组成的传感器在90ħ条件下检测N O2气体,气体浓度为2p p b时,灵敏度达到12.8㊂J i e等[45]通过溶胶凝胶法地制备了石墨烯包覆的WO3纳米球状结构,通过测试气敏性能发现,G R包裹的WO3纳米微球复合材料表现出p型气体敏感行为,并且G R-WO3传感器对N O2气体的响应在室温条件下,随着气体浓度的增加而线性增加㊂Z h a o等[46]合成了大孔径(13n m)㊁高比表面积(128m2/g)的具有面心立方(F C C)有序介孔结构的WO3/P t纳米复合材料,如图3所示㊂尺寸为4n m的铂纳米颗粒均匀分布在孔中,通过化学和电子手段使WO3基质敏化以用于C O检测㊂图3 P E O-b-P S模板合成有序中孔WO3/P t过程[46]F i g3T h e s y n t h e s i s p r o c e s s o f o r d e r e dm e s o p o r o u sWO3/P tw i t hP E O-b-P S t e m p l a t e[46]模板法是利用已有的内在特征来调控所需纳米材料的形貌㊂根据模板的类型,可以得到空心球㊁空心六棱柱和介孔等不同形貌的WO3㊂碳球作为模板被广泛用于制备高质量的WO3空心球气敏材料,根据模板的形成分为两步法[47]和一步法[48]㊂此外,有团队还利用莲花花粉等生物模板制备了具有高孔双壳结构的WO3微球,完美地继承了模板的结构特征㊂在200ħ条件下,WO3微球对1ˑ10-4N O的灵敏度为46.2,响应和恢复时间分别为62和223s[49]㊂W u等[50]使用硅基作为硬模板合成了介孔P d负载的氢气传感器㊂P d的加入提高了WO3对H2的响应值和缩短了响应与恢复时间㊂Z h u等[51]合成了一种WO3-Z n O中空纳米球状的混合物,由42n m的颗粒组合而成,对丙酮气体有良好的选择性和响应值㊂柔性气体传感因在可穿戴和便携式电子产品㊁射频识别标签和监测易腐货物的智能包装中的潜在应用,引起了科学界的高度兴趣[52]㊂而聚吡咯(P P y)㊁聚苯胺(P A N I)和聚噻吩(P T h)等导电聚合物具有优异电学和力学性能㊂WO3通常与导电聚合物复合制备传感膜,在柔性器件和室温检测方面具有突出优势㊂860212020年第12期(51)卷H u a n g等[53]在柔性基板上使用电子印刷技术制备了WO3-P E D O T/P P SN O2气体传感器,与纯WO3传感器相比,传感性能的增强得益于P E D O T:P S S提供的导电通道㊁WO3-P E D O T:P S S界面上的形成的异质结㊂L i等[54]采用简易的原位化学氧化聚合方法合成了花状WO3纳米复合材料,并将其负载在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(P A N I)基底上,制备了室温下工作的N H3传感器,与纯聚苯胺有机气敏传感器相比较,对N H3的响应值高6倍㊂H e等[31]通过两步水热合成法制作了表面由C u O修饰的WO3纳米花状的气敏传感器,在80ħ的工作温度下对H2S有着良好的响应㊂S u n等[55]在柔性P E T衬底上制备了用于智能三乙胺(T E A)传感器的P P y@WO3杂化物,在室温下对T E A具有高的灵敏度㊁良好的选择性,归因于WO3和P P y间的互补效应和界面形成了p-n异质结㊂3结语重点介绍了WO3气敏传感材料的研究现状及进展,综述了不同维度㊁不同尺寸㊁不同形貌的WO3气敏传感材料,以及贵金属和氧化物对其界面的修饰和改性㊂零维WO3纳米材料的比表面积与活性位点相对其他维度的更低,制备过程中更容易团聚,使颗粒粗化;一维WO3如纳米线㊁纳米棒等则具有较高的比表面积,使得有效面积和有效活性位点比其他结构高,使得有效活性位点比其他结构高,同时保持良好的化学和热稳定性,使其电学性质对表面化学吸附非常敏感;二维WO3如纳米片㊁纳米薄膜等则拥有可调制的表面活性㊁表面极化和富氧空位等特性,能够提供更多的吸附位点;三维WO3具有高的孔隙率,各种独特的形貌,如核-壳结构㊁介孔分级结构等,为氧离子和吸附气体能够提供更多的通道与孔洞㊂虽然WO3气敏材料性能的研究取得了一定的成果,但是还存在以下不足:对目标气体的选择性㊁灵敏度㊁稳定性不理想;工作温度一般在25~400ħ之间,高的工作温度既不利于传感器的长期稳定性,也增加了使用能耗㊂由于这些不足,影响了WO3气敏传感材料的发展,后续研发重点及发展趋势如下:(1)进一步从材料结构㊁能带结构㊁导电性能等方面对WO3气敏传感材料进行调控,有效降低工作温度,提高对目标气体的灵敏度和选择性㊂(2)抗湿性是目前WO3气敏传感材料在实际应用中的首要工作,高湿度环境下的气敏检测越发的重要,研制出能在潮湿的环境下具有高灵敏度㊁高选择性和高稳定性的WO3材料是一个重要的方向㊂(3)WO3气敏传感材料气敏性能变化的原因还需要从微观角度进一步分析㊂在对实验结果进行合理解释的基础上,依据材料固有性质及特殊的表面性质建立物理模型,深入分析并阐明其气敏机理㊂参考文献:[1] Z h a n g J,L i uX H,N e r i G,e t a l.N a n o s t r u c t u r e dm a t e r i-a l s f o r r o o m-t e m p e r a t u r e g a s s e n s o r s[J].A d v a n c e d M a-t e r i a l s,2016,28(5):795-831.[2] B h a t iVS,H o j a m b e r d i e v M,K u m a rM.E n h a n c e ds e n s-i n gp e r f o r m a n c eo fZ n O n a n o s t r u c t u r e s-b a s e d g a ss e n-s o r s:a r e v i e w[J].E n e r g y R e p o r t s,2020,6:46-62.[3] S e e k a e w Y,W i s i t s o r a a tA,P h o k h a r a t k u l D,e t a l.R o o mt e m p e r a t u r e t o l u e n e g a s s e n s o rb a s e do nT i O2n a n o p a r t i-c l e sde c o r a t e d3D g r a p h e n e-c a r b o n n a n o t u b en a n o s t r u c-t u r e s[J].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B:C h e m i c a l,2019, 279:69-78.[4] K u l k a r n iSB,N a v a l eY H,N a v a l eS T,e ta l.H y b r i dp o l y a n i l i n e-WO3f l e x i b l e s e n s o r:a r o o m t e m p e r a t u r ec o m p e t e n c e t o w a rd sN H3g a s[J].Se n s o r s a n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2019,288:279-288.[5]U e d a T,M a e d a T,H u a n g Z,e ta l.E n h a n c e m e n to fm e t h y l m e r c a p t a ns e n s i n g r e s p o n s e o fWO3s e m i c o n d u c t o rg a s s e n s o r sb yg a s r e a c t i v i t y a n d g a s d i f f u s i v i t y[J].S e n-s o r s a n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2018,273:826-833.[6]W a n g Y C,S u nZS,W a n g SZ,e ta l.S u b-p p m a c e t i ca c i d g a s s e n s o rb a s e do n I n2O3n a n o f i b e r s[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e,2019,54(22):14055-14063.[7] H o n g PP,M a n hH C,T o a nN V,e t a l.O n e-s t e p f a b r i-c a t i o no f S n O2p o r o u sn a n o f i b e r g a s s e n s o r s f o r s u b-p p mH2Sd e t e c t i o n[J].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s A:P h y s i c a l, 2020,303:111722(1-11).[8] Z h a n g R,X uZ,Z h o uT,e t a l.I m p r o v e m e n t o f g a s s e n s-i n gp e r f o r m a n c e f o r t i nd i o x i d es e n s o r t h r o u g hc o n s t r u c-t i o no fn a n o s t r u c t u r e s[J].J o u r n a l o fC o l l o i da n dI n t e r-f a c eS c i e n c e,2019,557:673-682.[9] T o u b aS,K i m i a g a r S.E n h a n c e m e n t o f s e n s i t i v i t y a n d s e-l e c t i v i t y o f a l p h a-F e2O3n a n o r o d g a s s e n s o r s b y Z n On a n-o p a r t i c l e s d e c o r a t i o n[J].M a t e r i a l sS c i e n c ei nS e m i c o n-d u c t o rP r o ce s s i n g,2019,102:104603(1-8).[10] W a n g X,W a n g TK,S i GK,e t a l.O x y g e n v a c a n c y d e-f e c t se ng i n e e r i n g o n C e-d o p e da l ph a-F e2O3g a ss e n s o rf o r r e d u c i ng g a s e s[J].S e n s o r s a n dA c t u a t o r s B:Ch e m i-c a l,2020,302:127165(1-8).[11] C h o i S,B o n y a n iM,S u nGJ,e t a l.C r2O3n a n o p a r t i c l e-f u n c t i o n a l i z e dWO3n a n o r o d s f o r e t h a n o lg a s s e n s o r s[J].A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e,2018,432:241-249.[12] W a n g T Y,L iY Y,L iT T,e t a l.E n h a n c e dN O x g a ss e n s i n gp r o p e r t i e s o f C r2O3f i l m m o d i f i e d o r d e r e d p o r o u sZ n O g a ss e n s o r s[J].S o l i d S t a t eI o n i c s,2018,326:173-182.[13] T i a n M,M i a oJ,C h e n g P,e t a l.L a y e r-b y-l a y e rn a n o-c o m p o s i t e sc o n s i s t i n g o fC o3O4a n dr ed u ce d g r a p h e n e(r G O)n a n o s h e e t sf o rh i g hs e l e c t i v i t y e t h a n o l g a ss e n-s o r s[J].A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e,2019,479:601-607.[14] Z h a n g X,W a n g J,X u a nL,e t a l.N o v e lC o3O4n a n o-c r y s t a l l i n e c h a i nm a t e r i a l a s ah i g h p e r f o r m a n c e g a s s e n-s o ra tr o o m t e m p e r a t u r e[J].J o u r n a lo f A l l o y sa n d96021曾吉阳等:WO3气敏传感材料及器件的研究进展C o m p o u n d s,2018,768:190-197.[15]H u Y,L iL,Z h a n g L C,e ta l.D i e l e c t r i cb a r r i e rd i s-c h a r g e p l a s m a-a s s i s t ed f a b r i c a t i o n o f g-C3N4-M n3O4c o m p o s i t ef o rh i g h-p e r f o r m a n c ec a t a l u m i n e s c e n c e H2Sg a ss e n s o r[J].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B:C h e m i c a l,2017,239:1177-1184.[16] N a k a t eU T,A h m a dR,P a t i lP,e t a l.U l t r a t h i nN i On a n o s h e e t sf o rh i g h p e r f o r m a n c e h y d r o g e n g a ss e n s o rd e v i c e[J].A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e,2020,506:144971(1-8).[17] M o l a v i R,S h e i k h iM H.F a c i l ew e t c h e m i c a l s y n t h e s i s o fA l d o p e dC u On a n o l e a v e s f o r c a r b o n m o n o x i d e g a s s e n-s o r a p p l i c a t i o n s[J].M a t e r i a l sS c i e n c e i nS e m i c o n d u c t o rP r o c e s s i n g,2020,106:104767(1-9).[18] Z h a n g H,L iH R,C a iL N,e t a l.P e r f o r m a n c e so f I n-d o pe dC u O-b a s e dh e t e r o j u n c t i o n g a s s e n s o r[J].J o u r n a lo fM a t e r i a l sS c i e n c e-M a t e r i a l s i nE l e c t r o n i c s,2020,31:910-919.[19] K i mJS,Y o o nJ W,H o n g YJ,e t a l.H i g h l y s e n s i t i v ea n ds e l e c t i v e d e t e c t i o n o f p p b-l e v e l N O2u s i n g m u l t i-s h e l l e d WO3y o l k-s h e l l s p h e r e s[J].S e n s o r s a n dA c t u a-t o r sB:C h e m i c a l,2016,229:561-569. [20] K r a s n o d e b s k a-O s t r e g aB,B i e l e c k aA,B i a d u nE,e t a l.M e s o p o r o u s f i l mo fWO3-t h e"s u n l i g h t"a s s i s t e dd e c o m-p o s i t i o no f s u r f a c t a n t i nw a s t e w a t e r f o r v o l t a mm e t r i c d e-t e r m i n a t i o no fP b[J].A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e,2016,388:746-752.[21] W o o d w a r dP M,S l e i g h tA W,V o g t T.S t r u c t u r e r e f i n e-m e n t o f t r i c l i n i c t u n g s t e n t r i o x i d e[J].J o u r n a l o f P h y s i c sa n dC h e m i s t r y o f S o l i d s,1995,56(10):1305-1315.[22] D a sS,J a y a r a m a nV.S n O2:a c o m p r e h e n s i v e r e v i e wo ns t r u c t u r e sa n d g a ss e n s o r s[J].P r o g r e s si n M a t e r i a l sS c i e n c e,2014,66:112-255.[23]Y i n L,C h e n D,H u M,e ta l.M i c r o w a v e-a s s i s t e dg r o w t ho f I n2O3n a n o p a r t i c l e s o nWO3n a n o p l a t e s t o i m-p r o v eH2S-s e n s i n g p e r f o r m a n c e[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sC h e m i s t r y A,2014,2(44):18867-18874.[24] H a nX,H a nX,L iL,e t a l.C o n t r o l l i n g t h em o r p h o l o-g i e s o fWO3p a r t i c l e s a n d t u n i n g t h e g a s s e n s i n gp r o p e r-t i e s[J].N e w J o u r n a lo fC h e m i s t r y,2012,36(11):2205-2208.[25]J i aQ,J iH,W a n g D,e t a l.E x p o s e d f a c e t s i n d u c e de n-h a n c e da c e t o n es e l e c t i v es e n s i n gp r o p e r t y o fn a n o s t r u c-t u r e d t u n g s t e n o x i d e[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sC h e m i s t r yA,2014,2(33):13602-13611.[26] T i a nF H,G o n g C,W uR,e t a l.O x y g e nd e n s i t y d o m i-n a t e d g a ss e n s i n g m e c h a n i s m o r i g i n a t e df r o m C O a d-s o r p t i o no n t h e h e x a g o n a lWO3(001)s u r f a c e[J].M a t e-r i a l sT o d a y C h e m i s t r y,2018,9:28-33. [27] A k a m a t s uT,I t o hT,I z uN,e t a l.N Oa n dN O2s e n s i n gp r o p e r t i e so f WO3a n d C o3O4b a s e d g a ss e n s o r s[J].S e n s o r s,2013,13(9):12467-12481.[28] L i F,G u oS,S h e nJ,e t a l.X y l e n e g a s s e n s o rb a s e do nA u-l o a d e dWO3㊃H2On a n o c u b e sw i t h e n h a n c e d s e n s i n gp e r f o r m a n c e[J].S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2017,238:364-373.[29] L iY,H u aZ,W uY,e t a l.M o d i f i e d i m p r e g n a t i o ns y n-t h e s i s o fR u-l o a d e d WO3n a n o p a r t i c l e s f o r a c e t o n e s e n s-i n g[J].S e n s o r s a n dA c t u a t o r s B:C h e m i c a l,2018,265:249-256.[30] Q i nY,S h e n W,L iX,e t a l.E f f e c t o f a n n e a l i n g o nm i-c r o s t r u c t u r e a n dN O2-s e n s i n gp r o p e r t i e s o f t u n g s t e no x-i d en a n o w i r e ss y n t h e s i z e db y s o l v o t h e r m a lm e t h o d[J].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B:C h e m i c a l,2011,155(2):646-652.[31] H eM,X i eL,Z h a oX,e t a l.H i g h l y s e n s i t i v e a n d s e l e c-t i v e H2S g a ss e n s o r sb a s e d o nf l o w e r-l i k e WO3/C u Oc o m p o s i t e s o p e r a t i n g a tl o w/r o o m t e m p e r a t u r e[J].J o u r n a l o fA l l o y s a n dC o m p o u n d s,2019,788:36-43.[32] N a m B,K oTK,H y u nSK,e t a l.S e n s i t i v i t i e s o f a6:4(b y m o l a r r a t i o)Z n O/WO3c o m p o s i t en a n o p a r t i c l e s e n-s o r t o r e d u c i n g a n do x i d i z i n gg a s e s[J].A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e,2020,504:144104(1-10).[33] C h o i S,B o n y a n iM,S u nGJ,e t a l.C r2O3n a n o p a r t i c l e-f u n c t i o n a l i z e dWO3n a n o r o d s f o r e t h a n o lg a s s e n s o r s[J].A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e,2018,432:241-249.[34] Q i nY,Z h a n g X,L i uY,e t a l.H i g h l y a l i g n e da r r a y o fW18O49/C u Oc o r e-s h e l l n a n o r o d s a n d i t s p r o m i s i n g N O2s e n s i n gp r o p e r t i e s[J].J o u r n a lo f A l l o y s a n d C o m-p o u n d s,2016,673:364-371.[35] F e n g C,J i a n g Z,W u J,e t a l.P t-C r2O3-WO3c o m p o s i t en a n o f i b e r s a s g a s s e n s o r s f o r u l t r a-h i g hs e n s i t i v e a n d s e-l e c t i v ex y l e n ed e t e c t i o n[J].S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2019,300:127008(1-8).[36] K o o W T,C h o i S J,K i m N H,e t a l.C a t a l y s t-d e c o r a t e dh o l l o w WO3n a n o t u b e su s i n g l a y e r-b y-l a y e rs e l f-a s s e m-b l y o n p o l y m e r i cn a n o f i b e r t e m p l a t e sa n dt h e i ra p p l ic a-t i o n i ne x h a l e db r e a t h s e n s o r[J].S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2016,223:301-310.[37] D i n g X,Z e n g D,Z h a n g S,e t a l.C-d o p e d WO3m i c r o-t u b e s a s s e m b l e d b y n a n o p a r t i c l e sw i t hu l t r a h i g h s e n s i t i v-i t y t o t o l u e n e a t l o wo p e r a t i n g t e m p e r a t u r e[J].S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2011,155(1):86-92.[38] P a r kS,K i m H,J i nC,e t a l.E n h a n c e dC O g a s s e n s i n gp r o p e r t i e s o fP t-f u n c t i o n a l i z e d WO3n a n o r o d s[J].T h e r-m o c h i m i c aA c t a,2012,542:69-73.[39] S h e n d a g e SS,P a t i l VL,V a n a l a k a r SA,e t a l.S e n s i t i v ea n d s e l e c t i v eN O2g a ss e n s o rb a s e do n WO3n a n o p l a t e s[J].S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2017,240:426-433.[40] B o u d i b aA,Z h a n g C,B i t t e n c o u r tC,e t a l.S O2g a s s e n-s o r sb a s e do n WO3n a n o s t r u c t u r e s w i t hd i f f e r e n t m o r-p h o l o g i e s[J].P r o c e d i a E n g i n e e r i n g,2012,47:1033-1036.[41] T a nY,L e iY.A t o m i c l a y e r d e p o s i t i o no fR hn a n o p a r t i-c l e so n WO3t h i nf i l m f o r C H4g a ss e n s i n g w i t he n-h a n c e dd e t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s[J].C e r a m i c sI n t e r n a-t i o n a l,2020,46(7):9936-9942070212020年第12期(51)卷[42] P e a r c eR ,I a k i m o vT ,A n d e r s s o n M ,e t a l .E p i t a x i a l l yg r o w n g r a ph e n e b a s e d g a ss e n s o r sf o r u l t r as e n s i t i v e N O 2d e t e c t i o n [J ].S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB :C h e m i c a l,2011,155(2):451-455.[43] V i j a y a k u m a r S ,V a d i v e l S .F i b e r o p t i c e t h a n o l ga s s e n s o rb a s e d WO 3a n d WO 3/g C 3N 4n a n oc o m p o s i t e sb y an o v e l m i c r o w a v e t e c h n i q u e [J ].O p t i c s &L a s e rT e c h n o l o g y,2019,118:44-51.[44] W a n g C ,S u n R ,L iX ,e ta l .H i e r a r c h i c a l f l o w e r -l i k e WO 3n a n o s t r u c t u r e s a n d t h e i r g a s s e n s i n g p r o p e r t i e s [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB :C h e m i c a l ,2014,204:224-230.[45] J i eX ,Z e n g D ,Z h a n g J ,e t a l .G r a p h e n e -w r a p pe d WO 3n a n o s p h e r e s w i t h r o o m -t e m p e r a t u r e N O 2s e n s i n g i n -d u c e db y i n t e rf a c e c h a r ge t r a n sf e r [J ].S e n s o r sa n dA c -t u a t o r sB :C h e m i c a l ,2015,220:201-209.[46] M a J ,R e nY ,Z h o uX ,e t a l .P t n a n o pa r t i c l e s s e n s i t i z e d o r d e r e d m e s o p o r o u s WO 3se m i c o n d u c t o r :g a ss e n s i n g p e rf o r m a n c e a n dm e c h a n i s ms t u d y [J ].A d v a n c e dF u n c -t i o n a lM a t e r i a l s ,2017,28(6):1705268.[47] Z e n g W ,D o n g C ,M i a oB ,e t a l .P r e p a r a t i o n ,c h a r a c t e r -i z a t i o n a n d g a ss e n s i n gp r o p e r t i e so f s u b -m i c r o n p o r o u s WO 3s p h e r e s [J ].M a t e r i a l sL e t t e r s ,2014,117:41-44.[48] L e eCY ,K i mSJ ,H w a n g I S ,e t a l .G l u c o s e -m e d i a t e d h y d r o t h e r m a l s y n t h e s i s a n d g a s s e n s i n g ch a r a c t e r i s t i c s o f WO 3ho l l o w m i c r o s p h e r e s [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B :C h e m i c a l ,2009,142(1):236-242.[49] W a n g XX ,T i a nK ,L iH Y ,e t a l .B i o -t e m pl a t e d f a b r i -c a t i o no fh i e r a r c h i c a l l yp o r o u s WO 3m i c r o s ph e r e sf r o m l o t u s p o l l e n sf o r N O g a ss e n s i n g a tl o w t e m pe r a t u r e s [J ].R s cA d v a n c e s ,2015,5(37):29428-29432.[50] W uCH ,Z h uZ ,H u a n g SY ,e t a l .P r e p a r a t i o n of pa l l a -d i u m -d o p e dm e s o p o r o u s WO 3f o rh y d r o g e n g a ss e n s o r s [J ].J o u r n a l o fA l l o y s a n dC o m po u n d s ,2019,776:965-973.[51] Z h u Y ,W a n g H ,L i uJ ,e ta l .H i g h -pe rf o r m a n c eg a s s e n s o r sb a s e do nth e WO 3-S n O 2na n o s p h e r ec o m p o s i t e s [J ].J o u r n a l o fA l l o y s a n dC o m p o u n d s ,2019,782:789-795.[52] K o s k e l a J ,S a r f r a z J ,I h a l a i n e nP ,e t a l .M o n i t o r i n g t h e q u a l i t y o f r a w p o u l t r y b y d e t e c t i n g h y d r o ge n s u lf i d ew i t h pr i n t e ds e n s o r s [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB :C h e m i -c a l ,2015,218:89-96.[53] L i nY ,H u a n g L ,C h e nL ,e t a l .F u l l yg r a v u r e -pr i n t e d N O 2g a s s e n s o r o n a p o l y i m i d e f o i l u s i n g WO 3-P E D O T :P S Sn a n o c o m p o s i t e s a n dA g el e c t r o d e s [J ].S e n s o r s a n d A c t u a t o r sB :C h e m i c a l ,2015,216:176-183.[54] L i S ,L i nP ,Z h a oL ,e t a l .T h e r o o mt e m pe r a t u r e g a s s e n s o r b a s e do nP o l y a n i l i n e @f l o w e r -l i k e WO 3n a n o c o m -p o s i t e sa n df l e x i b l e P E T s u b s t r a t ef o r N H 3d e t e c t i o n [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB :C h e m i c a l ,2018,259:505-513.[55] S u n J ,S h uX ,T i a nY ,e t a l .P r e p a r a t i o no f p o l y p yr r o l e @WO 3hy b r i d sw i t h p -nh e t e r o j u n c t i o n a n d s e n s i n gp e r -f o r m a n c e t o t r i e t h y l a m i n e a t r o o mt e m p e r a t u r e [J ].S e n -s o r s a n dA c t u a t o r sB :C h e m i c a l ,2017,238:510-517.R e s e a r c h p r o g r e s s o fW O 3g a s s e n s i n g ma t e r i a l s a n dd e v i c e s Z E N GJ i y a n g ,R O N G Q i a n ,D E N G X i y u ,K U A N G X i n y a ,Z IB a o y e ,MA Y i w e n ,L I U Q i n g ju (N a t i o n a l C e n t e r f o r I n t e r n a t i o n a lR e s e a r c ho nP h o t o e l e c t r i c a n dE n e r g y M a t e r i a l sY u n n a nK e yL a b o r a t o r y o fM i c r o -n a n oM a t e r i a l s a n dT e c h n o l o g y ,S c h o o l o fM a t e r i a l s a n dE n e r g y ,Y u n n a nU n i v e r s i t y,K u n m i n g 650091,C h i n a )A b s t r a c t :W i t h t h ed e v e l o p m e n t o f h u m a nb e i n g s a n d t h e p r o g r e s s o f s o c i e t y ,p e o p l e p a y mo r e a n dm o r e a t t e n -t i o n t o t h e e n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ,e s p e c i a l l y t h e d e t e c t i o n o f t o x i c a n d h a r m f u l g a s e s .M e t a l o x i d e g a s s e n s o r s c a n s o l v e t h i s p r o b l e m.M e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r g a s s e n s o r h a s b e e nw i d e l y s t u d i e d a n d a p pl i e db e c a u s e o f i t s s m a l l s i z e ,l o wc o s t ,c o n v e n i e n t u s e a n d q u i c k r e s p o n s e .T u n g s t e n t r i o x i d e (WO 3),a s a t y p i c a l n -t y p e s e m i c o n -d u c t o r g a s s e n s i n g m a t e r i a l ,h a s a t t r a c t e dw i d e a t t e n t i o n i n t h e d e t e c t i o n o f v a r i o u s t o x i c a n dh a r m f u l ga s e s d u e t o i t su n i q u e g a ss e n s i n gp r o p e r t i e s .T h es t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g y o f s e n s i n g m a t e r i a l s ,t h ee x p o s e dc r y s t a l f a c e t s ,t h e i n t r o d u c t i o no f o x i d e s a n dn ob l em e t a l s p l a y ak e y r o l e i n i m p r o v i n g t h e g a s s e n s i n gpe rf o r m a n c e o f m a t e r i a l s .T h e r e f o r e ,i n t h i s p a p e r ,t h e r e c e n t s t u d i e so nt h e s yn t h e s i s ,i n t e r f a c e c o n t r o l ,m o d i f i c a t i o n m e t h -o d s ,g a s s e n s i n gp r o pe r t i e s a n d r e l a t e dm e c h a n i s m s of o n e -d i m e n s i o n a l ,t w o -d i m e n s i o n a l a n d t h r e e -d i m e n s i o n a l WO 3m a t e r i a l sw e r e s u mm a r i z e d ,t h e e x i s t i n gp r o b l e m s i n t h e r e s e a r c h p r o c e s s o fg a s s e n s o rb a s e do n WO 3at p r e s e n tw e r e p u t f o r w a r d ,a n d i t s f u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n dw a s p r o s p e c t e d .K e y w o r d s :g a s s e n s o r ;t u n g s t e n t r i o x i d e ;n a n o s t r u c t u r e s ;g a s s e n s i n gpe rf o r m a n c e 17021曾吉阳等:WO 3气敏传感材料及器件的研究进展。
气敏传感器工作原理
气敏传感器工作原理
气敏传感器是一种用于检测气体浓度的设备，它能够根据气体浓度的变化发生电信号输出。
其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 传感材料：气敏传感器的关键部分是一种特殊的气敏材料，通常是一种金属氧化物，如二氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO2）等。
这些气敏材料能够对特定气体产生响应，并改变其电学性质。
2. 断电状态：在无气体存在时，气敏传感器处于断电状态。
此时，传感器的电阻很高，电流无法通过。
3. 气体吸附：当目标气体进入气敏传感器的检测区域时，它会与传感材料发生吸附反应。
这种吸附反应会引起传感材料的电子结构变化，从而改变电阻。
4. 电导变化：吸附气体的存在使得传感材料的导电性能发生变化，电阻减小。
这将导致电流通过传感器，因此它开始导电。
5. 电信号输出：通过测量通过传感器的电流，可以得到一个与气体浓度相关的电信号。
这个信号可以被放大、处理和转换成数字信号，以便于监测、控制和记录气体浓度。
总体来说，气敏传感器的工作原理就是利用特殊的气敏材料对特定气体的吸附性能改变引起电阻变化，从而实现对气体浓度的检测和测量。
简述气敏传感器及其用途
简述气敏传感器及其用途气敏传感器是一种能够检测气体浓度变化的传感器，广泛应用于环境监测、安全预警、工业生产等领域。
它可以通过感知气体浓度的变化，将其转化成电信号并输出，以实现对环境中有害气体的监测和控制。
气敏传感器的工作原理基于半导体材料的特性。
当环境中的气体进入传感器，它会与传感器表面的活性材料发生化学反应。
这些反应会改变传感器的电导率，并产生一个电信号。
通过测量电信号的变化，可以确定气体浓度的变化。
气敏传感器的用途非常广泛。
在环境监测方面，它可以用于检测空气中的有害气体，如甲醛、二氧化碳等。
通过监测这些有害气体的浓度，可以及时采取措施来改善室内空气质量，保障人们的健康。
同时，在工业生产中，气敏传感器可以用于监测化学品的泄漏情况，及时预警并防止事故的发生。
在安全预警方面，气敏传感器可以用于火灾预警系统中。
传感器可以检测到烟雾中的有害气体，如一氧化碳等，并发出警报以提醒人们注意火灾风险。
此外，在汽车生产中，气敏传感器也扮演着重要的角色。
它可以监测汽车尾气中的有害气体排放，以促进环保和减少空气污染。
为了更好地应用气敏传感器，我们需要注意以下几点。
首先，选择合适的传感器类型。
根据需要检测的气体种类和工作环境确定传感器的类型和特性。
其次，合理安装和校准传感器。
将传感器安装在合适的位置，并进行定期校准，以确保其准确性和可靠性。
此外，及时维护和更换传感器也是保证传感器工作正常的关键。
总之，气敏传感器是一项重要的技术创新，广泛应用于环境监测、安全预警和工业生产等领域。
通过使用气敏传感器，我们可以更好地保护环境、预防事故并提高生产效率。
因此，我们应该加强对气敏传感器的研究和应用，为社会的可持续发展做出贡献。
WO_3基气敏传感器
工作时是检测 NOx 的高敏感材 料。随后的两年里 人们研究了诸如半导体型、电化学型等各种类型的 NO2 气敏传感器[ 24 ) 28] , 并一致认为 WO3 是最具有前 景的 NO2 气敏传感器[ 29 ) 33] 。
1995 年, Inoue 等[34] 通 过 在 空 气 中 加 热 分 解 ( NH4 ) 10 W12O41 制备了 WO3 , 并采用丝网印刷法制备 了 WO3 厚膜型 NO2 气敏传感器, 该传感器可以检测
# 2736 #
化学进展
第 21 卷
出 2 ) 3ppm NO2 气 体, 而 且 稳 定 性 良 好。同 年, Sberveglieri[ 35] 等采用磁控溅射法制备了 WO3 薄膜, 并研 究 了 其 在 200 ) 500 e 的 温 度 范 围 内 对 1 ) 10ppm NOx 的敏感特性。结果表明, 该薄膜 在上述 条件下对 1 ) 10ppm 的 NOx 具有良好的重复性和气 敏响应, 并可以选择 性地检测出 CH4、CO 和 SO2 气 体, 其在 400 e 时对 10ppm NOx 的灵敏度为 118, 但 是该 研究 并 没有 探讨 其 气敏 机 理。1996 年, Nelli 等[ 36] 研究了纳米尺寸的 T-i W 氧化物薄膜对 015 ) 20ppm 的乙醇气体、CH4、CO 和 NO2 的气敏性能。结 果表明, 在上述气体中敏感膜对 NO2 的敏感特性最 好, 在最佳工作温度 300 e 时敏感膜对 20ppm NO2 的 灵敏度为 20。1997 年, Penza 等[ 37] 利用 WO3 薄膜作 敏感 涂层制备了表面声波 NOx 气敏传感器。1998 年, 该研究组利用 磁控溅射法制 备了 WO3 薄膜 型 NOx 气 敏传 感器, 同 时, 还 研究 了该 薄膜 对 NH3 、 H2 S、SO2 、CO 和 CH4 的敏感性 能。研究 结果表明, WO3 薄膜在 250 e 时对 NO x 具有良好的敏感特性, 其响应时间在 60s 以内[ 38] 。该研究组还研究了 Pd、 Pt、Au 掺杂的 WO3 薄膜对 NOx 的敏感性能[ 39] 。同 年, Kim[40] 等研 究了 WO3 薄膜 沉积 方式 的 变化 对 NOx 气敏特性的影响。Tomchenko 等[ 41] 则采用丝网 印刷法制备了 Bi2 O3 掺杂的 WO3 厚膜气敏传感器。 结果表明, 掺杂 Bi2O3 且厚度为 25Lm 的WO3 敏感膜 在 300 e 时对 2 ) 300ppm 的 NO 具有良好的气敏性 能, 在 该 温 度 下 对 163ppm NO 气 体 的 灵 敏 度 为 2196, 响应、恢复时 间分别为 214min 和 7min。1999 年, Lee 等[42] 、Chung 等[ 43] 、Yang 等[ 44] 和 Tomchenko 等[ 45] 先后研究了 WO3 基纳米晶和厚膜气敏传感器 对 NOx 的敏感特性。例如, Chung 等[ 43] 通过改变制 备工艺条件( 烧结温度、退火气 氛等) , 研究了 WO3 厚膜型 NO2 气敏传感器的敏感特性。结果表明, 经 700 e 烧结的 WO3 厚膜在低温 ( 100 e ) 时 对 NO2 气 体具有良好的气敏性能。Yang 等[44] 则详细研究了 黏结剂聚乙二醇( PVA ) 、Si 溶胶和 A l2O3 添加 剂对 NOx 敏感性能的影响。研究结果指出, 添加剂等对 WO3 基气敏传感器气敏性 能的影响主要是通 过对 晶界的修饰实现的, 而不是通过改变晶粒尺寸或者 电子浓度实现的。
气敏元件传感器的原理
气敏元件传感器的原理1. 什么是气敏元件传感器气敏元件传感器是一种可以感知气体浓度变化的传感器。
常见的气敏元件有热敏电阻、半导体氧化物、氧化钛等。
在气体存在时，气敏元件会发生相应的电学变化，通过测量电学信号的变化，可以判断气体的浓度变化。
2. 热敏电阻气敏元件传感器的原理热敏电阻是一种利用材料电阻随温度变化的特性制成的元件，它的电阻值随着温度的升高而降低，反之亦然。
而当热敏电阻暴露在某些气体环境中时，这些气体会对热敏电阻的电学特性产生影响，从而改变其电阻值。
这种电阻值的变化可以用来定量测量气体的浓度。
3. 半导体氧化物气敏元件传感器的原理半导体氧化物气敏元件传感器利用了半导体在气体存在时面临的电学变化来测量气体浓度。
当半导体氧化物被暴露在某种气体环境中时，气体分子会吸附在氧化物的表面，改变半导体氧化物的电学特性。
这种电学变化可以通过测量导体电阻值或半导体电导率变化来实现。
4. 氧化钛气敏元件传感器的原理氧化钛薄膜气敏元件是一种基于氧化钛的传感器，在气体存在时会产生积电荷，从而增加其电阻值。
这种电阻值的变化可以用来反映气体浓度的变化。
氧化钛气敏元件的简单结构、高灵敏度和低成本使其成为一种广泛应用的气敏元件。
5. 设计和应用气敏元件传感器可以应用于许多不同领域中，如环境监测、工业过程控制、生物医学、食品安全检测等。
由于不同的气敏元件传感器在测量气体浓度时都有其不同的优缺点，使用时需要根据不同的要求选择合适的气敏元件传感器。
此外，为了提高气敏元件传感器的稳定性、灵敏度和精度，还需要考虑传感器的电路设计和信号处理方式。
6. 总结气敏元件传感器是一种广泛应用的传感器，其原理基于不同的气敏元件种类有所差别。
通过了解气敏元件传感器的原理和应用，可以更好地选择合适的传感器，并在应用中获得更好的性能表现。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿:2008年11月,收修改稿:2009年2月 3国家重点基础研究发展计划(973)项目(N o.2007C B936601)、国家自然科学基金项目(N o.50872064)和中科院知识创新工程重要方向项目(N o.KG CX 22Y W 2341)资助WO 3基气敏传感器3徐宇兴1,233 谭强强1 唐子龙2 张中太2 袁章福1(1.中国科学院过程工程研究所 北京100190;2.清华大学材料科学与工程系 北京100084)摘 要 气敏传感器已在生物、化学、航空、军事等领域获得了广泛的应用。
鉴于W O 3基气敏传感器是检测H 2S 、NO x 、O 3和NH 3等气体最有前景的新型氧化物气敏传感器之一,本文以不同的敏感气体为分类依据系统阐述了近年来W O 3基气敏传感器的研究进展,详细探讨了制备方法及贵金属掺杂对上述各种气体气敏性能的影响,阐述了W O 3基气敏传感器的气敏机理,并指出了目前W O 3基气敏传感器在研究过程中存在的问题。
关键词 W O 3 气敏传感器 气敏性能 气敏机理中图分类号:O614.6;T B381;TP212.2 文献标识码:A 文章编号:10052281X (2009)1222734210WO 32B ased G as SensorsXu Yuxing1,233 Tan Qiangqiang 1 Tang Zilong 2 Zhang Zhongtai 2 Yuan Zhangf u1(1.Institute of Process Engineering ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190,China ;2.Department of Materials Science and Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )Abstract G as sens ors have been extensively developed in biology ,chemistry ,aeronautics ,military affairs.W O 32based gas sens ors have been characterized as one of the m ost promising neotype oxide gas sens ors for the detection of H 2S ,NO x ,O 3,NH 3and s o on.An overview clarified by different sensing gases of the progress in W O 32based gas sens ors has been presented systematically.E ffects of preparation methods and noble metal dopants on gas sensing properties have been discussed in detail.G as sensing mechanism of W O 3gas sens or has been discussed in this paper.Finally ,the problems existed during the research process of W O 32based gas sens ors have been pointed out.K ey w ords W O 3;gas sens ors ;gas sensing properties ;gas sensing mechanismContents1 Introduction 2 Research progress211 H 2S gas sens ors based on W O 3212 NO x gas sens ors based on W O 3213 NH 3gas sens ors based on W O 3214 H 2and C O gas sens ors based on W O 3215 O 3gas sens ors based on W O 3216 Other gas sens ors based on W O 3217 Study of W O 3gas sens ors on various gases simultaneously3 G as sensing mechanism of W O 3gas sens or 4 C onclusion1 引言 W O 3基气敏传感器最早报道于1967年,当时美国人Shaver [1]等采用真空蒸发钨薄膜经600—700℃加热氧化制得了W O 3薄膜,并用喷涂少量Pt 的方法来增强W O 3对H 2及含氢气体(如N 2H 4、NH 3和H 2S第21卷第12期2009年12月化 学 进 展PROG RESS I N CHE MISTRYV ol.21N o.12 Dec.,2009等)的灵敏度,使气敏传感器的灵敏度显著提高,从而为半导体气敏传感器的实用化奠定了坚实的基础。
近几年的研究表明,氧化钨基气敏材料不仅对氧化性气体而且对还原性气体也表现出很好的敏感特性。
目前,W O3基气敏材料已被认为是检测H2S、NO x、O3和NH3等最有前景的新型氧化物气敏材料之一。
本文以不同的敏感气体为分类依据对W O3基气敏传感器的研究进展进行了系统阐述,并探讨了研究中存在的问题。
2 研究进展2.1 W O3基H2S气敏传感器W O3基气敏材料用于检测H2S气体最早报道于1990年,当时Barret等[2]由(NH4)10W12O41・5H2O分解制备的W O3在469K时对01005%H2S有较高的灵敏度,虽然响应时间较长(达稳定阻值90%的响应时间为7—8min),但是,该成果的发表推动了W O3基H2S气敏材料的发展。
此后,关于W O3基薄、厚膜H2S气敏材料的制备、结构、电性能、气敏机理的研究逐渐活跃起来[3—6]。
一般认为,W O3接触H2S后引起负电荷载流子数目增大,从而引起n型半导体W O3电阻下降。
而贵金属Au的掺杂主要是降低气敏元件的响应时间,提高对H2S的灵敏度。
例如,Lin等[7]报道的非晶W O3薄膜经Au、Pd、Pt掺杂后,其达稳定阻值90%的响应时间缩短至1s以内。
R oyster等[8]采用金属2有机物沉积工艺制备了W O3敏感膜并研究了其对H2S的敏感性能。
近年来,随着研究的不断深入,许多文献报道了W O3敏感膜对ppm量级的H2S气体敏感性能,随测试温度和H2S气体浓度的不同其响应时间从3s到104s不等[9—14]。
例如,2005年,I onescu等[12]制备的W O3纳米颗粒敏感膜在150—200℃范围内可检测出低至20ppb的H2S气体,其中,该敏感膜对1ppm H2S气体的灵敏度为3—5。
Stankova等[13]采用磁控溅射法制备的纯的和Pt掺杂的W O3敏感膜在200℃时可检测出100ppb的H2S气体。
W O3纳米晶敏感膜[14—20]和W O3纳米线敏感膜[21]对H2S气敏性能的研究也较为活跃。
例如,2002年,T ao等[16]利用微机械制备工艺在Si片上制备了Pt、Au掺杂的W O3薄膜,并研究了其对H2S气体的敏感特性。
结果表明,Pt掺杂的W O3薄膜对H2S气体具有良好的响应2恢复特性及较高的灵敏度,其在220℃时对1ppm H2S气体的灵敏度为23,响应2恢复时间均为30s。
2003年,Jimenez等[18]的研究表明,在400℃退火后的W O3纳米晶敏感膜比700℃退火后的敏感膜对H2S气体具有更好的响应。
Reyes等[19]采用先进的反应气相沉积法制备了纯的和AlΠAu掺杂的W O3纳米晶敏感膜,该敏感膜可在室温下检测H2S气体,但是其响应时间长达数分钟,而恢复时间更是长达几个小时。
2006年,G eng等[20]研究了导电高分子聚吡咯PPyΠW O3基H2S气敏传感器,其气敏机理认为是PPy和W O3的协同作用或者是p2n异质结的影响。
P onzoni等[21]制备的三维W O3纳米网络结构在300℃时对10ppm H2S气体的灵敏度高达100。
R out等[22]研究了W O3纳米颗粒、W O3纳米片和W O2.72纳米线(如图1所示)在40—250℃范围内对1—1000ppm H2S气体的敏感特性,其中W O2.72纳米线敏感膜在250℃时对1ppm H2S气体的灵敏度为121。
图1 (a)W O3纳米颗粒;(b)W O3纳米片和(c)W O2.72纳米线的FESE M图[22]Fig.1 FESE M images of(a)W O3nanoparticles,(b)W O3 nanoplatelets and(c)W O2.72nanowires[22]2.2 W O3基NO x气敏传感器1991年,Akiyama等[23]曾报道W O3陶瓷在300℃工作时是检测NOx的高敏感材料。
随后的两年里人们研究了诸如半导体型、电化学型等各种类型的NO2气敏传感器[24—28],并一致认为W O3是最具有前景的NO2气敏传感器[29—33]。
1995年,Inoue等[34]通过在空气中加热分解(NH4)10W12O41制备了W O3,并采用丝网印刷法制备了W O3厚膜型NO2气敏传感器,该传感器可以检测・5372・第12期徐宇兴等 W O3基气敏传感器出2—3ppm NO2气体,而且稳定性良好。
同年, Sberveglieri[35]等采用磁控溅射法制备了W O3薄膜,并研究了其在200—500℃的温度范围内对1—10ppm NO x的敏感特性。
结果表明,该薄膜在上述条件下对1—10ppm的NOx具有良好的重复性和气敏响应,并可以选择性地检测出CH4、C O和S O2气体,其在400℃时对10ppm NOx的灵敏度为118,但是该研究并没有探讨其气敏机理。
1996年,Nelli等[36]研究了纳米尺寸的T i2W氧化物薄膜对015—20ppm的乙醇气体、CH4、C O和NO2的气敏性能。
结果表明,在上述气体中敏感膜对NO2的敏感特性最好,在最佳工作温度300℃时敏感膜对20ppm NO2的灵敏度为20。
1997年,Penza等[37]利用W O3薄膜作敏感涂层制备了表面声波NOx气敏传感器。
1998年,该研究组利用磁控溅射法制备了W O3薄膜型NO x气敏传感器,同时,还研究了该薄膜对NH3、H2S、S O2、C O和CH4的敏感性能。