气敏材料的合成与

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半导体气敏材料的制备技术
半导体气敏材料主要利用材料的表面吸 附和表面效应而引起自身物理量的变化 来进行检测。
气敏材料的纳米化是提高半导体气体传 感器性能的主要手段之一，通过控制材 料的颗粒尺寸可控制材料的气体敏感程 度。
根据制备原料的状态可分为液相法、固
图4-154 气敏电阻的结构及原理
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图4-155 气敏电阻的测量电路
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半导体气体传感器分类
金属氧化物半导体气体传感器
电阻式
非电阻式
有机半导体气体传感器
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半导体气体传感器
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SnO2, ZnO是电阻式金属氧化物半导体传 感器气敏材料的典型代表，它们兼有吸 附和催化双重效应，属于表面控制型， 但该类半导体传感器的使用温度较高， 大约200-5000C。为了进一步提高它们的 灵敏度，降低工作温度，通常向基体材 料中添加一些贵金属(如Ag, Au, Pt等)， 激活剂及粘接剂Al2O3, SiO2, ZrO2等。
图4-156 热导式气敏传感器 a）结构 b）测量电路
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电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电 解质，其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流， 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。
半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用 简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之 分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随 气体浓度的增大而增大。
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气体传感器主要应用领域
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理想气体传感器的特点
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目前存在的问题
可靠性 长期稳定性 选择性 被测气体种类 寿命
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半导体气体传感器分类
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器 和半导体气敏传感器等。
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例如对于含量在1X10-5数量级的H2S气体，添加1 % ZrO2的SnO2气体传感器与未添加ZrO2的元件相 比，灵敏度增加约50倍左右；
在SnO2中添加Pt能明显提高响应时间； 采用粉末溅射技术制备的表面层掺杂SnO2/SnO2 :
Pt双层膜材料气体传感器用来检测CO的浓度，发 现可降低工作温度，在室温~200℃内均显示出较 高的灵敏度；
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（5）开发新型气体传感器
根据气体与气敏材料可能产生的不同效应 设计出新型气体传感器是气体传感器未来 发展的重要方向和后劲。近年来表面声波 气体传感器、光学式气体传感器、石英谐 振式气体传感器己有不少研究报导。目前 仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子 就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想 气敏传感器，结合仿生学和传感器技术研 究类似狗鼻子的“电子鼻”将是气体传感 器发展的重要趋势和目标之一。
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（6）气体传感器敏感机理的研究
新的气敏材料和新型传感器层出不穷，需 要在理论上对它们的传感机理进行深入研 究。传感机理一旦明确，设计者便可有据 可依地针对传感器的不足之处加以改进， 这必将推动气敏材料和气体传感器的进一 步发展，也将大大促进气体传感器的产业 化进程。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可 表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电 流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接 触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂 丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的 电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。
气敏材料的合成与制备
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Байду номын сангаас
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气敏材料研究背景
传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可 将人类需要探知的非电量信息转化为可测量的 电量信息，为人类认识和控制所需对象提供了 条件和依据。作为现代信息技术核心之一的传 感技术，是本世纪人们在高新技术发展方面争 夺的一个制高点。
气体传感器是传感器领域的一个重要分支，它 是识别气体种类并将其转变为电信号的器件， 是气体定量或半定量检测，泄漏报警、控制等 的理想探头。气体传感器可以是单功能的，也 可以是多功能的;可以是单一的构件，也可以 是许多传感器的组合阵列。
相法和气相法。 2021/3/10
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半导体气敏材料的制备技术
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液相法－化学沉淀法
化学沉淀法是利用各种在水中溶解的物 质，预先制成含目标化合物金属离子的 盐溶液，在适当的条件(酸度、浓度、温 度等)下，选择适宜的共沉淀剂反应形成 不溶物，沉淀洗涤后，再经热处理制得 所需的金属氧化物或复合氧化物粉体。
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（2）对现有气敏材料的改性研究
SnO2, ZnO,Fe2O3为基质的半导体气敏材 料仍然是目前市场的主流，但这类材料的 纳米化、薄膜化已渐成趋势；采用表面修 饰技术和掺杂技术来改善同一基质材料对 不同气体的选择性和敏感性。
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（3）开发元件的高稳定化方法
电阻式半导体气体传感器的气敏元件一般 暴露在大气中及加热元件的电压值决定了 气敏元件的工作温度，如何消除湿度和温 度等环境因素对测量的影响还未得到很好 的解决。
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（4）新型气敏材料的探索与开发
由于金属复合氧化物和混合金属氧化物 新材料具有更高的稳定性和选择性，所 以对这类新材料的开发和研制成为半导 体气体传感器的开发热点。
通过添加不同的添加剂还能改善气体传感器的选 择性，在ZnO中添加Ag能提高对可燃性气体的灵 敏度，加入V2O5能使其对氟里昂更加敏感，加入 Ga2O3能提高对烷烃的灵敏度。
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研究重点
（1）智能化
近年来采用薄膜技术和集成电路技术把 加热元件、温度传感器、叉指电极、气 体敏感膜集成在硅衬底上制成的传感器， 不仅灵敏度比常规多晶膜传感器高得多， 并且结构简单、制作方便，还可以根据 被测气体选择不同的敏感膜，使得该类 传感器成为很有发展前景的新型半导体 气体传感器。