材料前沿讲座论文

天津理工大学

研究生课程论文（作业）封面（2012 至2013 学年度第 1 学期）

课程名称：材料科学与工程前沿讲座

论文题目：气敏半导体材料的研究进展学生姓名：

专业名称：材料物理与化学

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气敏半导体材料的研究进展

--前沿讲座听课心得

摘要本文主要阐述了气敏半导体材料材料的定义、分类、性能、工作原理，综述了气敏半导体材料在相关领域的应用及其研究进展，并就其发展方向提出了一些简单看法。

关键词气敏传感器；功能陶瓷；原理；发展

大气是人类赖以生存的重要外界环境因素之一。大气的正常化学组成是保证人体生理机能健康的必要条件, 但是, 随着现代工业的高速发展和人们生活水平的显著提高, 人们使用和接触的气体越来越多, 而那些易燃、易爆、有毒气体和废气不仅威胁到人们的生命财产,而且还直接影响到人类的生存环境, 因此, 有效地对这些气体进行检测、监控和报警成为迫切的任务。气体传感器就是适应这些需要而发展起来的。

半导体气敏陶瓷传感器具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低、使用方便等特点，气敏半导体陶瓷元件在日本、美国等国家发展很快，特别是日本，1988年产量约2000万件，其中日本费加罗技研株式会社的SnO，半导体气敏器件(TGS)年生产能力1200万件，行销世界上40多个国家和地区，产值23亿日元。近年来我国也有许多厂家生产气敏陶瓷元件，1988年产品投放市场10万件，主要是氧化锡系、氧化铁系烧结型的，用于检测石油液化气、煤气、酒精等。

一、气敏半导体材料材料的定义、分类

气敏半导体材料，亦称气敏陶瓷，是用于吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷。它是用二氧化锡等材料经压制烧结而成的，对许多气体反映十分灵敏，可应用于气敏检漏仪等装置进行自动报警。在生活中，它是应用越来越多，可保障人们的生命财产。

半导体气敏陶瓷一般可以分为表面效应和体效应两种类型。按制造方法和结构形式，可分为烧结形、薄膜型及厚膜型。但通常气敏陶瓷是按照使用材料的成

分划分为SnO

2、ZnO、Fe

2

O

3

等系列。

二、气敏半导体材料的性能、工作原理

利用半导体陶瓷元件进行气体检测时, 气体在半导体上的吸附和脱吸必须迅速, 工作温度至少在100℃以上才会有足够大的吸脱速度,因此, 元件会在较高温度下长期暴露在氧化性或还原性气氛中工作。所以要求半导体气敏陶瓷元件必须具有物理和化学的稳定性。除此之外, 气敏元件还要求具有以下主要特性气体选择性初始稳定、气敏响应和复原特性灵敏度及长期稳定性。

半导体气敏陶瓷是利用半导体陶瓷与气体接触时电阻的变化来检测低浓度气体的。半导体表面吸附气体分子时，其电导率将随半导体类型和气体分子种类的不同而变化。气体吸附一般分物理吸附和化学吸附两大类。前者吸附热低，可

以是多分子层吸附，无选择性，后者吸附热高，只能是单分子吸附，有选择性。在一般情况下，物理吸附和化学吸附同时存在。在常温下物理吸附是吸附的主要形式。随着温度的升高，化学吸附增加，至某一温度达到最大值。超过最大值后，气体解吸的几率增加，物理吸附和化学吸附同时减少。

三、几种气敏半导体材料的发展概况

1.SnO

2

气敏陶瓷

SnO

2

气敏陶瓷传感器至今仍是应用最广和性能最好的一种。它是一种表面控制型气敏材料，其比表面越大，越有利于气体吸附与表面反应，越容易获得灵敏度高、选择性好的气敏元件。目前仍在进行大量研究工作，以对它改性或改变制作工艺方法来提高性能，通过掺杂活性物质(如Pt、Pd、In、Ga等))提高灵敏度，

如添加ThO，可大大提高对CO吸附的灵敏度，而抑制对H

2、C

3

H

8

和I—C

4

H

10

的灵

敏度。另外，尚可添加Al

20

3

、Sb

2

3

，、Mg0、Ca0和PbO等添加物以改善烧结、老

化及吸附等性能。而其纳米晶材料由于具有粒度小、比表面大的特点，可望大幅

度提高材料的气敏性能，很多学者对纳米晶SnO

2

进行了研究，索辉等发现通过

溶胶凝胶法制得的SnO

2

具有很好的乙醇敏感特性。

近年来，采用集成电路工艺把超微粒薄膜加热器测温二极管一起集成在硅衬底上，制成对还原性气体的灵敏度比常规多晶膜高得多的气敏元件，它是一种很有发展前景的新型半导体气敏传感器。

2.ZnO气敏陶瓷

ZnO也是很重要的气敏陶瓷材料，其最突出的优点是气体选择性强。掺以Pt 和Pd催化剂后，可提高其灵敏度。掺Pt后对丁烷和丙烷等气体的灵敏度高，而

掺Pd的ZnO对氢和C0的灵敏度高。ZnO与V—Mo—Al

20

3

催化剂组合后，检测氟

利昂气体的灵敏度比一般的气敏传感器要高。但长期使用后，催化剂层将发生变化，续使用400h后会逐渐退化，灵敏度开始降低。不用催化剂的ZnO传感器对氟利昂气体的灵敏度很低。

3.Fe

2O

3

气敏陶瓷

Fe

2O

3

系气敏陶瓷不需要添加贵金属催化剂就可制成灵敏度高、稳定性好，

具有一定选择性、且在高温下稳定性好的气敏元件。Fe

2O

3

气敏陶瓷主要用于检

测异丁烷气体和石油液化气。它是利用在γ—Fe

2O

3

和Fe

3

O

4

之间的氧化还原过程

中，Fe3+和Fe2+转变时的电子交换来检测还原性气体的。α一Fe

2O

3

为刚玉结构，

γ—Fe

2O

3

和Fe

3

O

4

为尖晶石结构。由于γ—Fe

2

O

3

和Fe

3

O

4

之间的结构相同，高温

下两者之间存在着可逆转变。γ—Fe

2O

3

和α一Fe

2

O

3

有很高的电阻率，Fe

3

O

4

电

阻率很低，因此利用在γ—Fe

2O

3

，α一Fe

2

O

3

间发生氧化还原反应转变时，Fe3+

和Fe2+之间产生电子交换这一特性进行还原气体的检测。

4.ZrO

2

气敏陶瓷

ZrO

2

氧敏陶瓷传感器主要用于氧气检测，用在锅炉、金属热处理炉、无机材料烧结炉中，测定燃烧所排出气体中的氧含量，可以提高燃烧效率和防止大气污染。日本已在1967年开始使用这种传感器。它是按照浓差电池的原理进行检测，即被测气体和参比气体（空气）分别处于敏感陶瓷的两侧，由于两侧氧活度（浓度或分压）不同而形成化学势的差异，使高浓差的氧通过敏感陶瓷（氧离子导体）

中的氧空位以O2-离子状态向另一侧迁移，从而形成ZrO

2

离子电导，在氧离子导

体（陶瓷）两侧产生氧浓差电动势。目前氧离子导体主要用掺杂MgO、CaO或Y

2O 3