试述SnO2气体传感器设计

［】 ４ 白春礼． 纳米科技 及其发展 前沿［】 Ｊ．
微 纳 电 子技 术 ， ２ ０ ． ０２
（ 接 １７ ）低 ，清 灰 周期 长 ，减 少 了 上 １页 滤 袋 的更 换 维 护 费 用 ，节 省 了 引风 机 的 电耗 费 用 ， 节省 了压 缩 空 气 消 耗量 粉 尘 比 ．． 电 阻 限 制 的 更 为 可 靠 的 除 尘 方 式 ， 除 尘 效 率 除 了布 袋 的 破 损 外 ， 不 受 任 何 其 他 因 素 的影 响 。随着环保要 求的提 高，布袋 除尘是取代 电 除 尘 的 最 好 选 择 ， 目 前 在 欧 美 国 家 ， 电 除 尘 已经 完 全 被 布 袋 除 尘 器 所 取 代 ， 国 内业 界 也在逐 步认识到 这个方 向的不可逆 转，布袋 的 成 熟 主 要 由于 以下 几 个 原 因 ： ｌ 、滤 料 的质 量今 非昔 比，得 益于技 术的进 步，耐高温 、
一
应 速 度 比较 快 ， 容 易 受 到 环 境 温 度 的 影 响 。
、
无论 采用 电压源 还是 电流源 给加热 丝供 电， 当环 境温度 发生变化 时，加热丝 的温度都会 改变 ，从而影 响了传感器检 测 的准确 性和稳 定性 。采用数字Ｐ 控制 ，保持加热 电阻为恒 Ｉ 定值 ，使传感器 工作在 一个稳定 的绝 对温度 下 ，从而消 除了环境温度 的变化对传 感器 的 影 响 。通 过 对ｃ 体 的 检 测 和 对 其 实 验 结 果 Ｈ气 的 分 析 ，表 明 该 方 法 能 有 效 抑 制 环 境 温 度 对 气 体 传 感器 的影 响 。 结 论 虽然 各种传 感器技术 的不断发展 ，但基 气敏传 感器在批 量生产 方面 比其他传 感器更 具有 优势 。气体 传感器 下一步发展 方向是微 型化、集成化 、多功能化和智能化 。Ｓ Ｏ基薄 ｎ 膜材 料的制备方 法与修 饰改性是朝 这一方 向 发 展 的 基础 ， 因此 尤 为 重 要 。
参考文献： ［】 １ 刘威． 气体传感 器的研究与发展． 化
工 纵横 ， ２ ０ ． ００
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［］ ． Ｓ ｈ ｅ ｅ — Ｂ ｂ ｉ ｈ Ｓ ３Ｍ ｃｗ ｉ ｚｒ ｅ ｅ ， ． ｒ ｒｃ Ｓ ａ ｈ ａ ｎ Ｕ Ｗ ｍ ［ ］ Ａ Ｐ ｙ ｅ ｔ ｔ ｍ ｎ ， ． ｅｉ ａ Ｊ ． ． ｅ － ｒ ｒ ｒ
耐腐 蚀、耐水 、耐油 、防静 电材 料 已普遍采 用 ， 尤 其 燃 煤 锅 炉 通 用 的Ｐ Ｓ Ｐ 滤料 ， 其技 术 性 能 经 实 际 检 验 ， 完 全 可 以 满 足 电厂 的 需 要 。 ２ 、布 袋 除 尘 器 本 身 技 术 的提 高 ， 目前 国 内外 通用 的低压脉冲 清灰方 式，完全解 决 了糊袋 和二 次飞扬 问题 ，使布 袋的使 用维护变得 更 简 便 ，成 本更 低 廉 。
蠡冒 函
文◎
曼 缝
试述 气体传感器设计
寇文兵 （ 中国电子科技集 团公司哈尔滨 四十九所 ）
一二 ・ 立
摘要 ：微 电子技 术的 日益普 及和应 用 ， 三 、改善气敏传感器性能 传 感器 已经深入到人 类生活 的各个领 域。 因 Ｓ Ｏ是一种广普型 的气敏材料 ，围绕Ｓ Ｏ ｎ ｎ 此对传感 器的性 能、数量及 用途提 出 了新 的 为基 体材料 的气敏材料 的制备及其气 敏元件 需求 。本文 简 总结了Ｓ Ｏ气体传感 器其优缺 制备的研 究课题十分活跃 Ｓ Ｏ粉体 的粒径大 要 ｎ， ｎ 点，并对各种修饰 、改善Ｓ Ｏ薄膜 气体传感器 小 ，颗 粒的形状 、均匀性 、稳定性都 直接影 ｎ 性 能 的方 法 进 行 了归纳 。 响着制 成的气敏 器件的灵敏度 、功耗 、响应 关键 词：传感 器：设 计 恢复特 性及稳定性等重要参数 。纯Ｓ Ｏ的气敏 ｎ， 气体传感器的发展方 向 特性不 甚好 ，尤其 是它 的热稳定性 不高 。为 １ 努 力 实现 传 感 器 新 特 性 ． 改善其气敏特性 ，常在ＳＯ基体中掺 入贵金属 ｎ 由 于 自 动 化 生 产 程 度 的 不 断 提 高 ， 必 或 其他 金 属 氧 化 物 。 尽 管Ｓ Ｏ基传 感 材 料 具 有 ｎ， 须 研制 出一批 具有检 测范 围宽、高灵敏 度、 许多优 点，但Ｓ Ｏ作为材料也存在一 定缺点 ， ｎ， 高精度 、响应 速度快 及互换性 好的新 型传感 为 了 找 到合 适 的方 法 改 善Ｓ Ｏ传 感器 的气 敏 性 ｎ， 器 ， 以确保 自动 化 生产 检测 和 控 制 的准 确 能 ，发 挥其主要优 势，克服 不利 因素 ，研究 性。 人员作了许多工作，主要有 ： ２ 确 保传 感器 的可靠性 ，延长其使 用寿 ． １控制气敏材料微粒大小、颗粒纳米化 ． 命 由于 ＳＯ是 表 面 电阻 控 制 型 气 敏 材 料 ，表 ｎ， 确 保 传 感 器 工 作 可 靠 性 的意 义 是 很 直 观 面积越大 ，表面活 性较一般材 料就越 高，吸 的 ， 因 为 它 直 接 关 系 到 电子 设 备 的 抗 干 扰 和 附 能 力 也 就 越 大 ， 与 气 体 反 应 得 就 越 快 ， 其 误 动作 问题 。传感器 的可靠性 主要体现 在具 灵敏度 也越 高 ，因此传感器 的纳米化 是制备 有 较长 的使 用寿命 ，能在恶劣环 境下 工作及 高 灵 敏 度 气 体 传 感 器 的 最 佳 方 法 之 一 。 半 导 具 有 失效 保 险 功 能 等 。 体 纳 米 团簇 具 有 比 表 面 积 大 ， 相 对 气 体 阻 抗 ３传感器微型化 ． 变化大 的优点 ，因而可 以满足 气体传 感器灵 微机 电系统 是一种 轮廓尺寸在毫米量级， 敏度较 高、使用温度 下检测范 围大 的要求。 组成 元件尺寸 在微米 量级 的可运 动 的微 型机 纳米材料有 显著 的表 面效应 ，体积效应 、量 电装置 。Ｍ Ｍ 技 术借助集成 电路的制造 技术 子效应 、小尺寸效应 和宏观量 于隧道 效应 ， ＥＳ 来制造机械装 置， 可制造出微型齿轮、微型 电 使得它应用很广。 机 、泵 、阀门、各种 光学镜 片及 各种悬 臂梁 ２ 利用过滤设备或透气膜来获得选择性 ． 等。 在 传 感 器 上 设 置 一 层 薄 膜 ， 该 膜 层 可 以 二、Ｓ Ｏ薄膜材料传感器性 能修饰 ｎ２ 选 择 性 地 通 过 或 阻 止 某 些 气 体 而 提 高元 件 的 Ｓ Ｏ薄膜 材料传 感器 的主要缺 点是较 差 选 择性 。 如ｓ Ｏ提 高 对Ｈ的 选 择 性 ， 聚 四氟 乙 ｎ ｉ。 的选 择性及可 靠性 。根据报道 ，灵敏性 、选 烯 可 防 止 水 分 进 入 传 感 器 。但 透 气 膜 的 使用 择 性 、 响 应 时 间 、恢 复 时 间 以及 稳 定 性 等 可 在一定程度上降低了灵敏度 。 以通过 向Ｓ Ｏ中掺入特定的添加剂来改善 。控 ｎ ３ 控 制工 作 温 度 及 环境 湿 度 影 响 ． ￥ Ｓ Ｏ传感器操作温度，用运掩罩 、滤膜则可 ］ ｉｎ ， 温 度过 高易 引起 可 燃 性 气 体 的燃 烧 ， 以 改 善 其 灵 敏 性 。催 化 剂 如 钯 、 铂 、银 、 铑 导 致 爆 炸 ， 应 尽 可 能 制 作 可 在 低 温 下 工 作 的 等 贵 金 属 被 经 常用 作 添 加 剂 来 改 善 ＳＯ薄 膜 的 传 感 器 ，用 纳 米 材 料 制 得 元 件 就 可 大 大 降 低 ｎ， 选 择 性 和 灵 敏 性 早 期 人 们 认 为 ， 贵 金 属 添 传 感 器 的工 作 温 度 ， 这 是 目前 传 感 器 技 术 发 加 后 ，在 ＳＯ 晶粒 表 面 形成 金 属 团簇 可 产 生 额 展 的 一 个 方 向 。空 气 中 水 份 的 影 响 也 不 容 忽 ｎ 外 的 吸 附 位 置 ， 气 体 在 其 表 面 发 生 催 化 氧 化 视 ， 可 以采 用 在 传 感 器 表 面 添 加 不 与 被 检 测 还 原 作 用 。 然 而 ， 多 晶 的 Ｓ Ｏ与 还 原 气 体 的 气 体及 Ｓ Ｏ表面 发 生 反 应 的干 燥 剂 成 分 ，吸 收 ｎ， ｎ， 作 用机制 更为复 杂。它包 括 ：Ｓ Ｏ晶格氧 的 水 分 ，且 不 影 响 气敏 效 应 。 ｎ。 失 去 、 锡 氧 化 态 的 修 饰 以 及 在 本 征 的 金 属 与 ４ 改进 制 备 方 法 ． 掺杂金属之间新键 的形成 。ＳＯ薄膜本身对三 ｎ 制 作 薄 膜 型 气 敏 器 件 ， 用 湿 化 学 方 法 （ 学 共 沉 淀 法 、溶 胶 一 胶 法 ）制 原 料 等 。 化 凝 甲基胺几乎不敏感 ，当掺入Ｔ 后 ， ｈ 在工作温 度 ２ Ｏ ３ ０ 范 围 内 ， 对 低 量 的三 甲基 胺 气 体 在 原有 的制 备 方 法上 加 以改 良 。 Ｏ～ ６℃ 会变 得很灵敏 。许多氧 化物也被 作为添 加剂 四 、 抑制 ｓ ０传 感 器 温 度 干 扰 ｎ， 掺 ． Ｓ Ｏ薄膜 中来 改 善其 性 能 。通 过 向Ｓ Ｏ薄 Ｘ ｎ ． ｎ， 基 于 Ｓ Ｏ材 料 的 气 体 传 感 器 在 不 同 的 工 ｎ， 膜 负载金属氧 化物， 也可修饰其 传感性 能。 作 温 度 下对 不 同气 体 具 有 不 同 的 敏 感 度 ， 因 例如，Ｈ ｒ ｓ ｉＳ ｋ ｍ 等人制备的ＳＯ薄膜， ｉｏ ｈ ａ ａ ａ ｎ， 此 可 适 用 于 局 域 环 境 中 有 害 气 体 的 检 测 。 工 ０ ｃ 的敏感度最 在负载５ 原子 比的Ｌ ，２ ０ ％ ａ ０ ℃时是 可以获得最 作 在４ ０ ℃左右时 ，对 甲烷 （Ｈ） 大 的灵敏度 。对 于Ｃ Ｏ ｕ 纳米粒子 负载的Ｓ Ｏ薄 强，非常适 用于检 Ｎｃ ｎ， Ｈ ；在 ２ ０ ０ ℃左右 时 ， 膜传 感器 ，它 则展示 了快的响应速 度 ，高的 对 一氧化碳 （Ｏ 的敏感度最 强 ，适用 于检测 ｃ） 灵敏度 ，短 的恢 复时 间。采用复 合薄膜 的办 ｃ 气体 。此类传感 器的基本工 作原理 是根据 Ｏ 法也可以修饰Ｓ Ｏ薄膜传感器的性质。对于这 Ｓ Ｏ材料 的 电阻会 随着气 体体积 分数 的不 同 ｎ， ｎ， 种异质 结构，活 性区域在两 种材料 的界面 ， 而 改 变 ，通 过 检 测 该 类 传 感 器 的 电阻 即 可 知 它 们 就 像 是 一 个 ｐ ｎ ，在 异 质 结 界 面 ， 气 道 环 境 中被 测 气 体 的 浓度 。但 是 ， 由 于 传 感 —结 体 被 吸 附 在 两 边 异 质 上 ， 以 不 同 的 速 率 被 氧 器 的 电 阻 受 到 工 作环 境 （ 度 、 湿 度 和 其 他 气 温 化 ，影 响 了 其 势 垒特 征 ， 因 而 会 影 响 其 传 感 体 ） 影 响 ，特 别 是 直热 式 气 体 传 感 器 ，其 敏 的
Ｌ ｙ ｇ ， Ｗ． Ｇ ｐ ， Ｓ ｒ ｅ ｅ ｔ ａ ｏｉ ａ ｉ ｎｅ ｏ ｅＩ ｔ ａｔ ｇｉ ｓ ｏ ｖ ｄ Ｖ Ｃ ｃ ｏ ｓ ｌｓ ｔ ｖｉ ｙ ｆ Ｓ ０ 一 ｂ ｅ Ｃ ０ ｒ ｓ ｅ ｌ ｉ ｉ ｔ ｏ ｎ ２ ｓ ａｓ ｄ ０
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