基于纳米材料的气体传感器的进展

（ 1． School of Materials Science and Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240 ， China； 2． National Engineering Research Center for Nanotechnology， Shanghai 200241 ， China） Abstract： Working principle and main characteristics of gas sensors are briefly outlined， and working principle， research progress and development trends of four kinds of gas sensors， e． g． nanometal oxide gas sensors， nanometal particles gas sensors， organic polymer gas sensors and carbon nanotube gas sensors are focused on． Inadequacies of nano gas sensors are briefly revealed and the development trend in the future of these types of nano gas sensors is explained． Key words： gas sensors； nanometal oxide； nanometal particle； polymer； carbon nanotube 以纳米颗粒和纳米 的研究致力于减小金属氧化物的尺寸， 线的形式存在使其达到 nm 级别。 本文主要概括了气体传感器的工作原理和主要特性， 并着重介绍了纳米金属氧化物 、 纳米金属颗粒、 有机聚合物 和碳纳米管等 4 种纳米材料制备的气体传感器的发展动 简要地揭示了纳米气体传感器的不足之处， 并阐 向。最后， 释了这几种纳米气体传感器未来发展趋势 。 1 纳米金属氧化物气体传感器 Seiyama T［3］ 最早制备出了 ZnO 薄膜气体传感器并将 其应用到可燃性气体的检测中 。 从那时起， 人们发明了更 选择性、 稳定性以及 多的技术去提高气体传感器的灵敏度 、 响应速度， 并降低气体传感器的恢复时间 。 目前已广泛研究用于气体传感器材料的金属氧化物比 可以根据电子结构来选择金属氧 例如图 1 。实际情况中， 化物用于检测气体。 半导体金属氧化物气体传感器由于不与检测气体发生
0
体积分数按一定规律转换成电信号输出的器件 。 近年来， 气体传感器已经被广泛应用于检测和监控不同的气体和有 机蒸气， 包括有毒的或易爆炸的气体 、 湿度和气味
［1 ］源自文库
CO， SO2 ， O2 ， O3 ， H2 ， Ar， N2 ， H2 O ， 例如： CO2 ， 甲醇， 乙醇， 异 丙醇等。气体传感器主要应用在汽车工业： 有毒和可燃性 气体检测、 食品和饮料加工、 医疗诊断等领域。 目前， 制备气体传感器的材料仍以半导体氧化物为主， 但其较高的工作温度常常限制了这种类型传感器的使用 。 为此， 研究者提出改变氧化物的晶体形状和晶体取向等结 构参数的建议
2013 年 第 32 卷 第 5 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
1
檸殠
檸檸檸檸檸殠 综述与评论 檸殠
Research progress of gas sensors based on nanometer materials*
2 yuan2 ，ZHANG Ke2 ，HE Dannong1， ZHANG Xiaoqiu1 ，WANG Yuan-
气体传感器是指利用各种化学 、 物理效应将气体成分、
检测。
。同时， 纳米结构材料由于能够降低工作
2
传 感 器 与 微 系 统
a)
结构模型
第 32 卷
空间电荷层 b)
渗透路径
Λ 空间
频带模型
Λ 气体 ΔeV 表面
肖特基势垒 eV 表面
图1 Fig 1
使用最多的 10 种氧化物材料［4］ The top ten used oxide materials［4］ 图2
［2 ］
温度， 消耗更少的能量以及操作更安全等优势已被广泛用 于制作气体传感器。纳米结构材料最主要的特征就是特别 高的比表面积， 这将有利于传感器的检测层与被检测气体 之间充分接触， 从而增加传感器的灵敏度 。因此， 越来越多
收稿日期： 2012 —10 —18
* 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 21071098 ） ； 国家国际科技合作资助项目（ 0102011DFA50530 ）
檸檸檸檸檸殠
摘 引 言
基于纳米材料的气体传感器的研究进展
1 2 张小秋 ，汪元元 ，张 2 1， 2 柯 ，何丹农
*
（ 1 ． 上海交通大学 材料科学与工程学院， 上海 200240 ； 2 ． 上海纳米技术及应用国家工程研究中心， 上海 200241 ） 要： 简要地概括了气体传感器的工作原理和主要特性， 并着重介绍了纳米金属氧化物气体传感器 、 纳 米金属颗粒气体传感器 、 有机高分子气体传感器和碳纳米管气体传感器这 4 种气体传感器的工作原理 、 研 并阐释了这几种纳米气体传感器的未 究进展以及发展动向。简要地揭示了纳米气体传感器的不足之处， 。 来发展趋势 关键词： 气体传感器； 纳米金属氧化物； 纳米金属颗粒； 聚合物； 碳纳米管 中图分类号： TP 212 文献标识码： A 文章编号： 1000 —9787 （ 2013 ） 05 —0001 —05
传感器表层是否接触到 CO 的传导机制的结构和
14 ］ 频带模型［7 ，
氧化还原反应而被用于很多气体体积分数的检测 。 检测过 程中通过改变电子和目标气体之间的某一特征转化速率， 从而影响传感器的电阻并产生某一特定的信号