甲醛气体传感器

目录

摘要（中文） (1)

关键词（中文） (1)

1 引言 (1)

2 甲醛气体传感器结构、材料和敏感机理 (1)

2.1甲醛气体传感器的结构 (1)

2.2甲醛气体传感器的材料 (3)

2.3 甲醛气敏传感器的敏感机理 (3)

2.4 甲醛气敏传感器的研究现状 (4)

3 金属氧化物甲醛气体传感器 (5)

3.1 SnO2甲醛气敏元件 (5)

3.2 ZnO甲醛气敏元件 (5)

3.3 Fe2O3甲醛气敏元件 (5)

3.4 掺杂对甲醛气敏元件气敏特性的改善 (5)

3.4.1 ZnO-La2O3共掺杂对SnO2甲醛气敏元件气敏性能的改善..................（6）3.4.2 ZnO中掺杂La2O3对甲醛气敏元件气敏性能的改善 (6)

4ZnO中掺杂La2O3甲醛气体传感器的性能研究 (6)

4.1 ZnO中掺杂La2O3甲醛气敏传感器的制备 (6)

4.2 ZnO中掺杂La2O3甲醛气敏传感器的性能 (6)

4.2.1 工作温度对元件灵敏度的影响 (6)

4.2.2 烧结温度对元件灵敏度的影响 (7)

4.2.3 甲醛浓度对元件灵敏度的影响 (7)

4.2.4 元件对甲醛气体的选择性 (7)

4.2.5 元件响应—恢复曲线 (8)

5 结束语 (8)

致谢 (8)

参考文献 (8)

摘要（英文） (9)

关键词（英文） (9)

甲醛气体传感器的研究

摘要：本文介绍了甲醛气体传感器的结构、材料以及敏感机理，并采用La2O3掺杂ZnO制备了旁热式甲醛气敏元件。通过WS-30A气敏元件测试仪系统分析表明：在0.05%、0.1%、0.15%、0.25%、0.5%、0.65%六种掺杂比例中，掺杂0.1% La2O3并用500℃烧结且工作温度为210℃的元件对甲醛的灵敏度有显著的效果。对体积分数为5ppm的甲醛气体，元件的灵敏度达到了3.8，响应和恢复时间分别为8s和20s。对元件气敏机理进行了分析。

关键词：ZnO； La2O3掺杂；气敏元件；甲醛

1引言

甲醛现在被各界普遍认为是室内第一杀手，它的释放期长一般为3-15年，其对人体尤其是婴幼儿、孕期妇女、老人和慢性病患者甚为严重。室内甲醛气体释放周期较长，轻微超标时居住者不易察觉。超标四五倍时，居住者才能嗅出气味[1]。可见甲醛是一种原生质毒物，毒性强而潜伏周期长。室内空气中的甲醛主要来源装修材料。随着人们生活水平和生活质量的日益提高，室内装修装修热潮越来越高，室内甲醛气体对人体健康的影响非常巨大，做甲醛检测已成为现在入住新居的一项必不可少的程序。因此，研制出甲醛气敏传感器检测仪是很有现实意义的。

目前，检测室内甲醛气体的方法有很多中，比如：分光光度法、电化学法、色谱法[2]和传感器检测法。其中分光光度发、电化学法和色谱法选材复杂，制备过程繁杂，因而成本较高，不能普及到日常生活中。然而，半导体甲醛气敏传感器制作简单，成本低，使用方便而易于交换，可以将甲醛气体浓度信号转化成电信号，在检测气体浓度方面具有一定的优势。

氧化锌和二氧化锡都是具有较宽带陷的N型半导体材料，具有气敏特性。其气敏特性决定于晶粒大小、表面态和吸附氧的量[3]。本文粗犷介绍甲醛气体传感器的结构、材料和工作机理等后利用实验室的条件制备出氧化锌纳米材料，并以氧化锌纳米材料为基底通过掺杂La2O3制备出了对甲醛有较高选择性的气敏元件，这有望开发成一款新型的甲醛敏感元件。

2 甲醛气体传感器结构、材料和敏感机理

2.1 甲醛气体传感器的结构

甲醛气体传感器主要由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。其中敏感元件是用来感受甲醛气体的元件，是传感器的核心元件。转换元件是将甲醛信号按一定规律转化成可用输出电信号的元件。为转化元件提供电能并输出的电信号转化成光信号、声音信号或数字显示信号的部分称作测量电路。

敏感元件是用来感受甲醛气体的元件，是甲醛气体传感器的核心，也是研究、设计、制作甲醛气敏传感器的关键[3]。转化元件是解决甲醛信号向电信号的转换，同时将不适于传输或测量的微弱电信号转化为适于传输或测量的可用电信号。从材料物态上看，甲醛气体传感器可分为干式气体传感器和湿式气体传感器两类。干式气体传感器构成气体传感器的材料为固体，有接触燃烧式、半导体式、固体电解质式、红外线吸收式、导热率变化式。湿式气体传感器是利用水溶液或者电解液来感知待测气体，有极谱式和原电池式。本文主要研究的是干式气体传感器中的半导体式。从组装结构上看，半导体式甲醛气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。从制造工艺上看，半导体式气体传感器可分为烧结型、薄膜型和厚膜型和多层结构型四类[4]（如下图1所示的（a）（b）（c）（d））。本文针对烧结型的半导体式甲醛气体传感器展开讨论和研究。

根据实验室设备，我们主要研究烧结型气敏器件，这类器件以金属氧化物半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入金属氧化物半导体材料中，经加温、加压，利用700～900℃的制陶工艺烧结成形。结构原理图如图2：

图2 烧结型气敏器件

根据加热方式，烧结型气敏元件可分为直接加热式和旁热式两种。以SnO2为例，直接加热式由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。如图3：

大部分情况下，我们都使用旁热式，因为它热容量大、稳定性好，测量电路与加热电路间易互不干扰，加热器与SnO2基体间不因热膨胀系数的差异而导致接触不良，元件效果非常好，加热器电阻值一般为30Ω～40Ω，其结构图如图4：