半导体金属氧化物气体传感器灵敏性的研究进展
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基质来支撑薄膜 ， 一般所用基质为 Ａ ｌ （ ） ３ 或ｓ ｊ Ｑ ２ ， 目 前大多数传感器都利用间接加热。 感应膜 ： 一般为半导体金属氧化物薄膜 。 电极 ： 金属氧化物薄膜 与待测气体吸附作用后 ，
物医学中， 氧传感器还可用于生物细胞 ， 生物活性液 体 中氧浓度的测定闭 。Ｎ Ｏ 是典型的空气污染物 ， 主
１ 传 感 器 的 组 成
传感器 由三部分组成 ： 感应膜 、 电极 、 加热器（ 见
闭环反馈控制系统 ， 其 中， 氧传感 器对于提高燃烧效
率和降低污染排放量起着重要的作用［ ２ １ 。而且 ， 在生
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图１ — ２ ） 。 加热可分两种 ， 直接加热和间接加热 。 直接 加热顾名思义加热器和感应材料直接相连 ， 这样会使 加热不稳定， 抗干扰能力差 ， 温度不易控制【 ｌ ２ １ 。 间接加 热 言外之意加热器和感应材料之间有基质隔开 ， 用
的恒定气体流速为 １ ． ５ Ｌ ／ ｍ ｉ ｎ （ 通过电脑控制混合气体
体系） ， 传感器置于不同氧气浓度 中测定电阻的变化。 高纯氮气作为载气获得不同浓度的氧气， 使其浓唐 变化
范围为１ ０ ０ ｐ ｐ ｂ —ｌ ％ 。 从图 ５ ｔ ２ 】 可知， Ｌ Ｓ ＭＯ纳米纤维 对氧气展现 出快速 、 灵敏 、 可逆 、 独立的响应。在通入
ＮＯ２ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｗａ ｄ ｏ ｎ／ ｐ ｐ ｍ
氮气后 ， 其可 以快速的恢复至原值 ， 基本无损失 ， 说明 其选择性高， 不受氮气影响。
２ ． ３ 尖 晶石型 （ Ａ Ｂ ２ ０ ）
图 ７ 电动势与 Ｉ ｏ ｇ ［ Ｎ Ｏ ｚ ］ 线性关 系
要来源于汽车尾气 ， 能够造成酸雨和光化学烟雾 ， 也
是 潜 在 的温 室气体 ［ ４ １ ， 它 严 重影 响 环 境和 人 们 的 身体
健康 ， 需要利用各种方法发展合适的探测系统以检测
燃烧过程来减少排放 “ 】 ， 这 同样促进了 Ｎ Ｏ 传感器 的开发与应用。 固体金属氧化物气体传感器在国内商 业和工业应 用 中作为 主要 的固态气体探测设备 ， 它 们具有成本低 、 易生产、 尺寸紧凑 、 检测方便等优点 ， 在气体传感领域吸 引了广泛的注意 ，是现在很多科
收稿 日 期： ２ ０ １ ２ — １ （ ｝ － － ２ ３
会引起电导率或电阻的改变 ， 电极就是为了测定信号
的改变。
加热器 ： 传感器的性能与温度有关 ， 有的气体检 测在高温下灵敏度达到最大， 而有的相反。因而加热
《 陶瓷学报｝ ２ ０ １ ３年第 ３期
Ｎ ｏ２ ｏ ｒ Ｎ Ｏ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ／ ｐ ｐ ｍ
测方法和材料 ， 提高传感器的气敏特性 ， 并与工业生
产联 系起来 ， 实现商业化 。 本文在对半导体金属氧 化物气体传感器机理进行简要介绍的基础上 ， 综述
了用于 Ｏ 和Ｎ Ｏ 气体传感器的材料 ， 以及影响传感 器灵敏性的主要 因素 ， 如化学组成 、 表面改性 、 感应 膜的微观结构 、 温度和湿度等。
第３ ４ 卷第 ３ 期 ２ ０ １ ３年 ９月
《 陶瓷学报》 Ｉ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＥＲＡＭ ＣＳ
Ｖ０ １ ． ３ ４ ． Ｎｏ ． ３
Ｓ ｅ ｐ． ２ ０１ ３
文章编号 ： １ ０ ０ ０ — ２ ２ ７ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ － ０ ３ ８ ７ － Ｏ ７
半导体金属 氧化物气体传感器 灵敏性 的研究进展
崔景 慧 李 强 夏金锋 冯 涛
（ １ ． 华 东师 范大 学化 学 系 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ １ ； ２ ． 中 国科 学院上 海硅 酸 盐研 究所 ， 上海 ２ ０ １ ８ ０ ０ ）
摘 要
半导体金 属氧化物传感器广泛应用于气体 的检测 ， 而影响气体传感器的气 敏特性 的凶素主要有灵敏性 、 选择性 、 稳定性 、 响应
时间和重复性等 。灵敏性是气体 传感器 的最主要性能指标 ， 成为有关传感器的研 究热 点。实验研究表明 ， 气体传感器的灵敏性与 传感器感应膜 的表面反应有关。主要介绍 了影响传感器灵敏 性的主要 因素 ， 如化学组 成、 表面 改性 、 感应膜的微观结构 、 温度和湿
度等。
关键词 金属氧化物 ； 气体 传感 器 ； 灵敏性
图 ５ 时 间 与 浓 度 关 系 曲线
Ｆｉ ｇ． ５ Ｏｘ ｙｇ ｅ ｎ ｃ ｏｎ ｃ ｅｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｓ ａ ｆ ｕｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｉ ｍｅ
图 ６ 电动 势 与 Ｉ ｏ ｇ ［ Ｎ Ｏｘ ］ 线性 关 系
Ｆ ｉ ｇ ． ６ Ｔ ｈ ｅ Ｅ ＭＦ － Ｉ ｏ ｇ ［ Ｎ Ｏ ｘ 】 ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ
中图分类号： Ｔ Ｑ１ ７ ４ ． ７ ５ 文献标识码 ： Ａ
研工作者研究的对象。 其 目标是探索新的 、 有效的检
０ 前 言
空气质量问题一直人们所关注 ， 空气清洁对环境 和健康都很重要。随着汽车工业的发展 ， 汽车尾气的 大量排放 ， 以及城市工业化污染 日益加剧 ， 空气质量 逐年下降 ， 因而降低汽车废气排放成为城市环保的首 要任务 ， 而控制发动机的空燃比已成为降低汽车废气 排放的有效手段 Ⅱ 沩 了控制汽车尾气排放 ， 汽车已经 由传统的化油器发展为电子喷射系统 ， 采用带有氧传 感器精确测定空燃比和三元催化 反应器分解废气 的
位阳离子决定 ， Ｂ位不 同阳离子结合， 产生协同作用，
以提高催化性能㈣。 另一方面 ， 通常取代 Ａ 位阳离子
∞ 印 鼬 钏 ｍ Ｏ ｍ
会影响 Ｂ位 阳离子的氧化态 从 而产生非化学等量氧
来控 制催化特 性 。以Ｌ ｎ Ｏ 。 （ Ｌ Ｓ ＭＯ） ￣ ｌ ｆ 米 纤维为例 ， 在８ ０ ０ ℃对氧气传感的可能机理为 在动态
物医学中， 氧传感器还可用于生物细胞 ， 生物活性液 体 中氧浓度的测定闭 。Ｎ Ｏ 是典型的空气污染物 ， 主
１ 传 感 器 的 组 成
传感器 由三部分组成 ： 感应膜 、 电极 、 加热器（ 见
闭环反馈控制系统 ， 其 中， 氧传感 器对于提高燃烧效
率和降低污染排放量起着重要的作用［ ２ １ 。而且 ， 在生
Βιβλιοθήκη Baidu
图１ — ２ ） 。 加热可分两种 ， 直接加热和间接加热 。 直接 加热顾名思义加热器和感应材料直接相连 ， 这样会使 加热不稳定， 抗干扰能力差 ， 温度不易控制【 ｌ ２ １ 。 间接加 热 言外之意加热器和感应材料之间有基质隔开 ， 用
的恒定气体流速为 １ ． ５ Ｌ ／ ｍ ｉ ｎ （ 通过电脑控制混合气体
体系） ， 传感器置于不同氧气浓度 中测定电阻的变化。 高纯氮气作为载气获得不同浓度的氧气， 使其浓唐 变化
范围为１ ０ ０ ｐ ｐ ｂ —ｌ ％ 。 从图 ５ ｔ ２ 】 可知， Ｌ Ｓ ＭＯ纳米纤维 对氧气展现 出快速 、 灵敏 、 可逆 、 独立的响应。在通入
ＮＯ２ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｗａ ｄ ｏ ｎ／ ｐ ｐ ｍ
氮气后 ， 其可 以快速的恢复至原值 ， 基本无损失 ， 说明 其选择性高， 不受氮气影响。
２ ． ３ 尖 晶石型 （ Ａ Ｂ ２ ０ ）
图 ７ 电动势与 Ｉ ｏ ｇ ［ Ｎ Ｏ ｚ ］ 线性关 系
要来源于汽车尾气 ， 能够造成酸雨和光化学烟雾 ， 也
是 潜 在 的温 室气体 ［ ４ １ ， 它 严 重影 响 环 境和 人 们 的 身体
健康 ， 需要利用各种方法发展合适的探测系统以检测
燃烧过程来减少排放 “ 】 ， 这 同样促进了 Ｎ Ｏ 传感器 的开发与应用。 固体金属氧化物气体传感器在国内商 业和工业应 用 中作为 主要 的固态气体探测设备 ， 它 们具有成本低 、 易生产、 尺寸紧凑 、 检测方便等优点 ， 在气体传感领域吸 引了广泛的注意 ，是现在很多科
收稿 日 期： ２ ０ １ ２ — １ （ ｝ － － ２ ３
会引起电导率或电阻的改变 ， 电极就是为了测定信号
的改变。
加热器 ： 传感器的性能与温度有关 ， 有的气体检 测在高温下灵敏度达到最大， 而有的相反。因而加热
《 陶瓷学报｝ ２ ０ １ ３年第 ３期
Ｎ ｏ２ ｏ ｒ Ｎ Ｏ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ／ ｐ ｐ ｍ
测方法和材料 ， 提高传感器的气敏特性 ， 并与工业生
产联 系起来 ， 实现商业化 。 本文在对半导体金属氧 化物气体传感器机理进行简要介绍的基础上 ， 综述
了用于 Ｏ 和Ｎ Ｏ 气体传感器的材料 ， 以及影响传感 器灵敏性的主要 因素 ， 如化学组成 、 表面改性 、 感应 膜的微观结构 、 温度和湿度等。
第３ ４ 卷第 ３ 期 ２ ０ １ ３年 ９月
《 陶瓷学报》 Ｉ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＥＲＡＭ ＣＳ
Ｖ０ １ ． ３ ４ ． Ｎｏ ． ３
Ｓ ｅ ｐ． ２ ０１ ３
文章编号 ： １ ０ ０ ０ — ２ ２ ７ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ － ０ ３ ８ ７ － Ｏ ７
半导体金属 氧化物气体传感器 灵敏性 的研究进展
崔景 慧 李 强 夏金锋 冯 涛
（ １ ． 华 东师 范大 学化 学 系 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ １ ； ２ ． 中 国科 学院上 海硅 酸 盐研 究所 ， 上海 ２ ０ １ ８ ０ ０ ）
摘 要
半导体金 属氧化物传感器广泛应用于气体 的检测 ， 而影响气体传感器的气 敏特性 的凶素主要有灵敏性 、 选择性 、 稳定性 、 响应
时间和重复性等 。灵敏性是气体 传感器 的最主要性能指标 ， 成为有关传感器的研 究热 点。实验研究表明 ， 气体传感器的灵敏性与 传感器感应膜 的表面反应有关。主要介绍 了影响传感器灵敏 性的主要 因素 ， 如化学组 成、 表面 改性 、 感应膜的微观结构 、 温度和湿
度等。
关键词 金属氧化物 ； 气体 传感 器 ； 灵敏性
图 ５ 时 间 与 浓 度 关 系 曲线
Ｆｉ ｇ． ５ Ｏｘ ｙｇ ｅ ｎ ｃ ｏｎ ｃ ｅｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｓ ａ ｆ ｕｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｉ ｍｅ
图 ６ 电动 势 与 Ｉ ｏ ｇ ［ Ｎ Ｏｘ ］ 线性 关 系
Ｆ ｉ ｇ ． ６ Ｔ ｈ ｅ Ｅ ＭＦ － Ｉ ｏ ｇ ［ Ｎ Ｏ ｘ 】 ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ
中图分类号： Ｔ Ｑ１ ７ ４ ． ７ ５ 文献标识码 ： Ａ
研工作者研究的对象。 其 目标是探索新的 、 有效的检
０ 前 言
空气质量问题一直人们所关注 ， 空气清洁对环境 和健康都很重要。随着汽车工业的发展 ， 汽车尾气的 大量排放 ， 以及城市工业化污染 日益加剧 ， 空气质量 逐年下降 ， 因而降低汽车废气排放成为城市环保的首 要任务 ， 而控制发动机的空燃比已成为降低汽车废气 排放的有效手段 Ⅱ 沩 了控制汽车尾气排放 ， 汽车已经 由传统的化油器发展为电子喷射系统 ， 采用带有氧传 感器精确测定空燃比和三元催化 反应器分解废气 的
位阳离子决定 ， Ｂ位不 同阳离子结合， 产生协同作用，
以提高催化性能㈣。 另一方面 ， 通常取代 Ａ 位阳离子
∞ 印 鼬 钏 ｍ Ｏ ｍ
会影响 Ｂ位 阳离子的氧化态 从 而产生非化学等量氧
来控 制催化特 性 。以Ｌ ｎ Ｏ 。 （ Ｌ Ｓ ＭＯ） ￣ ｌ ｆ 米 纤维为例 ， 在８ ０ ０ ℃对氧气传感的可能机理为 在动态