ZnO气体半导体传感器简单介绍

ZnO等金属氧化物半导体传感器优点



(1)器件灵敏度高，检测限低，检测限可达ppm(百万分之一) 数量级，甚至ppb(十亿分之一) 数量级； (2)响应与恢复时间短，一般都在几秒到几十秒之间； (3)金属氧化物在空气中相对比较稳定，制成的器件可以具 有较长的使用寿命，一般寿命为几年，甚至十年以上； (4)金属氧化物制备简单，来源丰富且无毒，无污染； (5)器件制备容易，成本低廉，适合大范围推广； (6)器件尺寸小，测试装置简单，适合做成便携式检测仪器。
ZnO半导体传感器检测气体
• ZnO器件主要用来检测可燃性和还原性气体。 • 完整的氧化物不具有半导体的性质，因此，常Байду номын сангаас用掺杂ZnO或
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其复合材料作为气敏材料。例如：将Cr203一ZnO复合材料对 NH3具有了很高的灵敏度和选择性；ZnO／Zn2Sn04 、 ZnO— CuO复合材料可以选择性地检测CO气体；Zn2Fe2SO4／ZnO 复合材料甲醇、乙醇和丙醇都具有较高的灵敏度。 另外ZnO表面修饰上贵金属也可以极大地改变其气敏性质。例 如：在ZnO纳米线上面修饰Au以后，对CO体具有高的灵敏度； 在ZnO薄膜和棒上负载上Pt发现负载后的样品在室温下可以极 大地提高对H2敏感度：ZnO纳米线上吸附上Pd发现可以提高 材料对乙醇的灵敏度。
ZnO的制备
• ZnO在自然界中是以矿物的形式存在，在研究过程中人 们制备出了很多形态的ZnO材料，其中研究最多的是单 晶、薄膜和纳米结构。 • 单晶普遍采用的方法有：水热法、熔融法、气相法。 • 薄膜制备技术有：金属有机物化学气相沉积、磁控溅射、 激光脉冲沉积、分子束外延、原子层沉积、热蒸发、溶 胶——凝胶等。 • 纳米：制备方法非常多，总的来说按照制备环境不同可 以分为气相法和液相法。气相法是在制备过程中，作为 源的物质是气相或者通过一定的过程转化为气相，然后 通过一定的机理形成所需的纳米结构。
半导体气体传感器分类
类型 物性 电 阻 式 表面控制型 材料 检测气体 Sn02、ZnO、In203、W03、 V。 CCl：F2、CO、NO、 05、Al2O3、有机半导体等。 NH3、乙醇、丙酮、 甲醛等
体控制型
半 导 体 气 体 传 感 器
Y——Fe203、 Q—Fe203、 可燃性气体、O2等 C03O4、SrSnOs、Ti02、 SnQ、 CoO、MnO等
ZnO半导体传感器检测气体
不足之处
对温度 和环境湿度的抗干扰能力较差 灵敏度较低
选择性与稳定性都较差，响应和恢复时 间
比较长
不同结构器件的功耗较大等
改进方法



ZnO与其他添加剂或催化剂复合，解决 灵敏度不高，选择性不好的缺点。 将ZnO制成薄膜，由于薄膜具有更大的比 表面积，从而可以提高灵敏度，缩短传感 器的响应时间. 纳米技术
半导体气体传感器——ZnO
气体传感器的应用


气体传感器是将外界气体的信息转换成电信号传递给控制 中心，从而实现检测、自动控制和报警等功能。 早期，气体传感器主要用来检测易燃性气体的泄漏和报警。 80年代后，随着纳米技术、生命科学、人工智能等相关科 学的发展，气体传感器也得到了巨大的发展，其检测和应 用范围也得到了扩大。 从食品方面的鱼肉蔬菜水果新鲜度 检测，到厨房住宅的易燃易爆、有毒有害气体检测；从化 工生产的现场流程检测，到环境保护中的污染气体的检测， 各个方面都有所应用。
Pd／CdS、Pd／Ti02、 Pd／ ZnO、Pt／Ti02、 Au／Ti02等 Pd—MOS Pd、Pt、Sn0≥一AET Pd—MoSFET H2、CO、SiH4等 H2、CO、SiH4等 Cl2、H2S等 H2、H2S、NH3、 CO等
非 电 阻 式
金属／半导体结 Pd—MOS AET FET
ZnO的制备
• 液相法是在制备过程中，通过化学溶液作为传递能量的 媒介，从而制备各种纳米、溶剂热法、微乳液法、化学 反应自组装法（、液相模板法等。随着研究发展，目前 也发展了一些不属于以上两种的方法，比如像光刻也可 以用来制备纳米材料。
ZnO气敏性原理

材料表面吸附各种不同气体后，材料电阻率发生变化， 从而表现出气敏特性。ZnO材料对CO、C2H5OH、H2、NO2 等气体比较敏感，电阻率变化比较大，从而是气敏元件 的一种良好选择材料。当ZnO材料吸附还原性气体时， 电阻率随气体浓度升高而降低；反之，吸附氧化性气体 时电阻率随气体浓度升高而增大。这就为ZnO材料制作 气敏元件奠定了基础。此外，随着ZnO纳米技术的发展， 纳米材料比表面积较大，化学活性提高，从而可以提高 材料气敏特性。目前，使用各种技术已经制备出了对CO、 CH4、H2等气体有较高灵敏度的ZnO纳米气敏元件