SnO2材料气敏性能研究进展

SnO2材料气敏性能研究进展

1.气体传感器的定义与研究意义

气体传感器是传感器领域的一个重要分支，是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等使用的信息的装置。它主要用来检测气体的种类和浓度，对接触气体产生响应并转化成电信号从而达到对气体进行定量或半定量检测报警的目的。气体传感器现已在人类的生产生活中得到了广泛的应用，在民用方面，主要是检测天然气、煤气的泄露，二氧化碳气体含量、烟雾杂质和某些难闻的气味及火灾发生等；在工业方面，主要是检测硫化物、氮氧化物、CH4、CO、CO2及Cl2等有毒或有害的气体，检测有机溶剂和磷烷、砷烷等剧毒气体，检测电力变压器油变质而产生的氢气，检测食品的新鲜度，检测空燃比或废气中的氧气的含量以及检测驾驶员呼气中酒精含量等；在农业生产上，主要是检测温度和湿度、CO2，土壤干燥度、土壤养分和光照度。因此，气敏传感器的研究具有非常重要的意义。

2.气体传感器的分类

按基体材料的不同，气敏传感器还可分为固体电解质气体传感器、有机高分子半导体传感器，金属氧化物半导体气体传感器；按被检测的气体不同，气敏传感器可分为酒敏器件、氢敏器件、氧敏器件等。固体电解质气体传感器使用固体电解质做气敏材料，主要是通过测量气敏材料通过气体时形成的电动势而测量气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用。高分子气敏传感器通过测量气敏材料吸收气体后的电阻、电动势、声波在材料表面传播速度或频率以及重量的变化来测量气体浓度。高分子气体传感器具有许多的优

点，如对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。金属氧化物半导体气体传感器是一类研究时间较长、应用前景较好的传感器，它主要根据材料表面接触气体后电阻发生变化的原理来检测气体。因为金属氧化物半导体中多数载流子的不同而分为P型和N型。N型半导体材料中，主要是晶格内部存在氧离子的缺位或阳离子的填隙，此类材料主要包括SnO、ZnO、In2O3、a-Fe2O3、WO3、ZnFe2O4、CdO和TiO2等。在P 型半导体材料中，晶格内部存在阳离子的缺位，即空穴导电，这类材料主要包括LaFeO3、MoO2、Cr2O3、CuO、SnO、Cu2O和NiO等。还有一些金属氧化物半导体如ZnO、V2O5、NiO和In2O3等既可以为N型，也可为P型，这取决于材料的结构和制备方法等因素。

3.金属氧化物半导体气体传感器的气敏机理

关于半导体氧化物的气敏特性机理的研究，目前已提出的理论模型可归纳为:表面电阻控制模型（吸附氧理论）、晶界势垒模型、空间电荷层调制理论、晶粒尺寸效应机理和催化剂的作用机理、体电阻控制模型。主要介绍第一种模型。吸附氧理论也属于表面电阻控制模型的一种，我们以N型金属氧化物半导体为例来加以解释。空气中的氧分子物理吸附在N型半导体气敏元件的表面，随着工作温度的升高在材料表面转化为化学吸附氧，和半导体接触后从半导体表面获得电子，形成O2-, O-, O2-等，如下图所示，从而束缚材料表面的自由电子，导致材料表面的电阻增大；还原性气体如乙醇、H2和CO等，与材料表面形成的氧负离子相接触时，气体分子失去电子，如式1-2，1-3和1-4所示，失去的电子重新回到半导体中去，表面电阻下降电导增加。当前研究最多的是N型半导体，这种模型也是最常用机理模型。

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--+→+ne CO ads CO ads O n 2)()( （1-4） 4.气体传感器的性能参数及指标

4.1元件的正常电阻Ra 和工作电阻Rg

正常电阻R a 表示气敏元件在正常空气（或洁净空气）条件下的阻值，又称固有电阻；工作电阻R g 表示气敏元件在一定浓度的检测气体下的阻值。

4.2工作温度

工作温度(working temperature)也称操作温度(operating temperature)。金属氧化物半导体气敏材料一般的工作温度都在100 ℃以上，一般来说，半导体材料的工作温度与测试环境有很大的关系。通常一种气敏材料会有一个最佳的操作温度(optimum operating temperature)，简称OOT ，在这一温度下材料对某一特定浓度的气体会表现出最大的灵敏度。在通常的实验测试中，首先需要确定出其OOT ， OOT 越低意味着能耗越低，气敏元件的寿命就会越长。因此，能在室温下检测气体一直是研究者追求的目标。但是较低的温度有时会导致气体响应和恢复时间延长，在气敏元件的实际应用中，要综合考虑各方面因素，选择合适的工作温度。

4.3灵敏度

气敏元件的灵敏度S ( sensitivity ），也称为响应(response)，主要是指气敏材

料或气敏元件对被检测气体的敏感程度。一般用测试前后的电阻或电压的比值表示。通常定义N 型半导体气敏元件的灵敏度为：

g a g a V V R R S ==

（还原性气体） a g a g

V V R R S == （氧化性气体）

式中R a 和V a 分别表示气敏元件在空气中的电阻值和在负载电阻上的电压输出值；R g 和Vg 分别为气敏元件在待测气体中的电阻值和负载电阻上的电压输出值。对于P 型半导体则与之正好相反。

4.4响应时间和恢复时间

响应时间(response time)和恢复时间(recovery time)是表示气敏元件对被测气体响应恢复速度的好坏，分别指元件与测试气体接触或脱离后，元件的电阻值达到稳态所需要的时间。一般定义响应时间为从元件接触被测气体时开始计时，到电阻达到稳态阻值的90 %所需的时间；恢复时间是指元件脱离被测气体以后阻值恢复到变化阻值的90 %所需要的时间。响应一恢复时间越短越好，有利于连续测试。

4.5选择性

选择性(selectivity)是指气敏材料对多种气体中某种特定气体的响应情况。一般是比较气敏元件在同一测试温度和气体浓度下，对不同气体的灵敏度。理论上要求在相同环境中对被检测气体有较好的灵敏度，而对其它气体没有灵敏度或灵敏度很小。