氣敏傳感器的研究進(jìn)展

張晗

（長(zhǎng)春師范大學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130000）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，工業(yè)方面也取得了較大進(jìn)步，隨之而來的問題便是廢氣的排放與環(huán)境的污染。大量的廢氣由于不適當(dāng)?shù)呐欧旁斐闪嗽S多環(huán)境問題，近年來我國(guó)空氣污染空前嚴(yán)重，環(huán)境也頻頻亮起紅燈，這警示我們不得不重視這一系列的問題。當(dāng)今的工業(yè)高度發(fā)達(dá)，這些污染所帶來的損失已經(jīng)威脅到了人類的生存，引發(fā)了溫室效應(yīng)、酸雨、臭氧層的破壞等一系列的環(huán)境問題[1]，解決這些問題的關(guān)鍵便是迅速準(zhǔn)確的檢測(cè)到這些有毒、有污染的氣體，所以氣敏傳感器便得到了應(yīng)用與發(fā)展。

氣敏傳感器，也稱氣體傳感器，是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器。它利用許多物理和化學(xué)的反應(yīng)，將待測(cè)氣體的種類、濃度、成分等有關(guān)信息在一定條件下轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，我們可以根據(jù)這些電信號(hào)對(duì)氣體進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)、監(jiān)控、并在氣體達(dá)到一定濃度時(shí)發(fā)出報(bào)警。氣敏傳感器在當(dāng)今的生活中應(yīng)用非常廣泛，比如酒精檢測(cè)儀、煙霧報(bào)警器、煤氣檢測(cè)等，給人們的生活帶來了極大的便利[2]。

2 氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀

目前，美國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家氣敏傳感器應(yīng)用廣泛，主要使用的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，應(yīng)用于檢測(cè)并監(jiān)控氣體的排放和泄漏，使用范圍大到工業(yè)化的工廠、小到居民住戶。國(guó)外之所以氣敏傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識(shí)很強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求極高；另一方面是目前的傳感器市場(chǎng)在政府與國(guó)家的鼓勵(lì)下得到進(jìn)步。因此氣敏傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展。

而在國(guó)內(nèi)，雖然氣敏傳感器的種類非常的多，但使用最多、最廣泛的依然是半導(dǎo)體氣敏傳感器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小、能耗低、構(gòu)成簡(jiǎn)單、使用方便等。半導(dǎo)體氣敏傳感器的主要材料是SnO2，SnO2是一種廣譜型氣敏材料，由于其成本較低、設(shè)備簡(jiǎn)單、靈敏度較高、物理化學(xué)穩(wěn)定性較好，已成為我國(guó)大量使用的氣敏材料。目前，我國(guó)在不斷開發(fā)新的氣敏材料，如Al2O3、石英晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等氣敏材料，這些材料也將陸續(xù)的投入使用[3]。對(duì)與氣敏材料的研究主要從以下三個(gè)方面著手：①要盡力尋找和探索新型的氣敏材料；②對(duì)于現(xiàn)有的氣敏材料，應(yīng)該注重完善其性能、提高其靈敏度和純度，對(duì)其制備工藝和過程進(jìn)行更為嚴(yán)格的把控；③運(yùn)用現(xiàn)有的資料研究氣敏材料的原理，并且應(yīng)用于新材料的探索過程中，完善新型氣敏材料的制備工藝。

大體上，我國(guó)的氣敏傳感器技術(shù)已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步與發(fā)展，但是與美國(guó)、日本等先進(jìn)國(guó)家相比仍然在技術(shù)和應(yīng)用方面存在著差距，在完善現(xiàn)有氣敏傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該大力發(fā)展新型的氣敏傳感器技術(shù)，努力達(dá)到世界的先進(jìn)水平。

3 氣敏傳感器的分類

由于被測(cè)氣體的種類繁多，且這些氣體的濃度、成分等性質(zhì)也各不相同，所以檢測(cè)這些氣體所用的傳感器也并不相同，這就要求有不同種類的傳感器來檢測(cè)不同的氣體。這些傳感器也有一定的分類，按照氣敏傳感器所使用的材料可分為半導(dǎo)體氣敏傳感器和非半導(dǎo)體氣敏傳感器兩大類[4]。

目前在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。半導(dǎo)體氣敏傳感器在工作的過程中，半導(dǎo)體的表面與待測(cè)氣體的接觸會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)在這一過程中所產(chǎn)生的電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生變化，利用這一改變來檢測(cè)出相應(yīng)的氣體成分和濃度等。利用半導(dǎo)體氣敏傳感器來檢測(cè)氣體的性質(zhì)，一般可以用來做檢測(cè)氣體泄漏的儀器、氣體報(bào)警器以及自動(dòng)控制儀器和測(cè)試儀器等。通過把氣體轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，從而傳輸給氣敏器，氣敏傳感器通過吸附平衡狀態(tài)穩(wěn)定值、吸附平衡速度以及吸附平衡值與溫度的依存性來獲取電子信號(hào)。此外，半導(dǎo)體氣敏傳感器還能夠通過檢測(cè)氣體的成分從而測(cè)出空氣中的有害氣體，這對(duì)空氣污染尤為嚴(yán)重的今天起到了非常大的作用[5]。

半導(dǎo)體氣敏傳感器并非單一類型的氣敏傳感器，也可以按照其自身的特性將半導(dǎo)體式的氣敏傳感器進(jìn)行分類，半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的變化，而這些變化可能在半導(dǎo)體的表面也有可能會(huì)深入到半導(dǎo)體的內(nèi)部，根據(jù)這些不同可以將半導(dǎo)體氣敏傳感器分為表面控制型和體控制型。顧名思義，表面控制型就是半導(dǎo)體與氣體發(fā)生電子接受作用時(shí)的變化僅限于半導(dǎo)體表面，使半導(dǎo)體的物理性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的改變，但其內(nèi)部并不發(fā)生變化；而體控制型則是半導(dǎo)體與氣體反應(yīng)時(shí)的變化使內(nèi)部發(fā)生改變而不改變其自身性質(zhì)。

半導(dǎo)體與氣體發(fā)生反應(yīng)使得物理性質(zhì)的改變各不相同，我們根據(jù)變化了的物理特性可將半導(dǎo)體氣敏傳感器分為電阻型和非電阻型。電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器利用氣敏材料與氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)電阻值的變化來檢測(cè)氣體的成分或濃度。電阻型氣敏傳感器的靈敏度較高、制作簡(jiǎn)單，近年來被廣泛地使用，但電阻型氣敏傳感器仍然存在一些缺點(diǎn)，如壽命短、工作溫度高等?，F(xiàn)如今應(yīng)注重改善其性能，盡可能地避免其短處，這樣才能更好的發(fā)揮電阻型氣敏傳感器的作用。而非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用阻值變化以外的其它參數(shù)和性質(zhì)來檢測(cè)被測(cè)氣體的濃度和成分。根據(jù)其參數(shù)又可將非電阻式的半導(dǎo)體氣敏傳感器分為二極管氣敏傳感器、MOS二極管氣敏傳感器和Pd-MOSFET氣敏傳感。

此外，也可以按照氣敏特性給氣敏傳感器分類，具體可分為：電化學(xué)型氣敏傳感器、固體電解質(zhì)氣敏傳感器、化學(xué)型氣敏傳感器和高分子氣敏傳感器等[6]。

4 傳感器制備工藝

對(duì)于氣敏傳感器來說，最重要的是制備過程，而制備過程又可分為氣敏元件的制備和氣敏材料的制備，由于目前的生產(chǎn)和生活中使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器，所以本篇文章主要介紹半導(dǎo)體式氣敏傳感器的制備工藝。

4.1 氣敏元件制備方法

氣敏元件是氣敏傳感器的核心，所以氣敏元件的制備尤為重要，主要是其材料的選用。氣敏元件的制備方法主要有燒結(jié)法、薄膜法和厚膜法。

燒結(jié)法主要應(yīng)用于SnO2型氣敏傳感器的氣敏元件制備，是指將氣敏元件的電極和加熱器埋在金屬氧化物中，然后利用高溫加熱直至成型，最后再借助低溫來燒結(jié)。燒結(jié)法所用的高溫一般為200～300℃。

薄膜法是用來制備ZnO氣敏元件，采用真空鍍膜工藝或?yàn)R射工藝，在石英或者陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜，這便構(gòu)成了薄膜型氣敏元件。

厚膜法是指將氣敏材料與硅凝膠混合制成厚膜膠，然后在高溫下燒結(jié)，制成厚膜型氣敏元件，厚膜法所用的溫度一般為400～800℃，此方法可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

4.2 氣敏材料制備方法

氣敏材料制備需要考慮多種因素，比如制備的成本、材料的純度和操作的難易程度等。氣敏材料的制備方法主要有：物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法和凝膠-溶膠法等。

物理氣相沉積法又稱為熱蒸發(fā)法。使用該種方法制成的氣敏材料純度較高，但是此種方法對(duì)操作和使用的設(shè)備要求較高。熱蒸發(fā)法利用真空蒸發(fā)、激光等方法將原料制成等離子體，然后在一定的介質(zhì)中使其凝結(jié)成為所需要的氣敏材料。

化學(xué)氣相沉積法是利用兩種或兩種以上的氣體原料進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，之后通過冷凝形成納米粒子。此方法主要用來制備半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣敏材料，制備的過程易于控制和操作且得到的材料純度較高，但是得到的氣敏材料的粒子尺寸較大。

凝膠-溶膠法廣泛使用于制備氣敏性金屬氧化物薄膜。此種方法的操作簡(jiǎn)便、得到的氣敏材料粒子活性較高、材料的純度也很高，但是制備過程中的pH值和膠凝的速度會(huì)影響到材料的制備。凝膠-溶膠法是將原料分散在溶液中并經(jīng)過水解形成活性單體，活性單體聚合成為溶膠然后生成凝膠，最后經(jīng)過處理等到納米粒子[7]。

5 結(jié)語

氣敏傳感器產(chǎn)業(yè)正向著規(guī)模化、專業(yè)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，由于近些年來經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，氣敏傳感器也成為了一種不可缺少的重要產(chǎn)品，新型氣敏材料得到了深入的開發(fā)，氣敏傳感器技術(shù)也取得了較大進(jìn)步，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛，在工業(yè)方面和民用方面都得到了充分的應(yīng)用和發(fā)展。在工業(yè)方面主要體現(xiàn)在氧氣傳感器、毒性氣體傳感器等，在居民日常生活方面，主要應(yīng)用于監(jiān)控氣體的泄露，防止火災(zāi)的發(fā)生以及檢測(cè)酒精的濃度，降低發(fā)生交通事故的幾率等[8]。

當(dāng)今全世界正面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境問題，環(huán)保被擺在首要位置，氣敏傳感器要想得到更好的發(fā)展，就必須向低功耗、低成本、多功能的方向發(fā)展。具體應(yīng)從以下三個(gè)方面著手：①提高其反應(yīng)的靈敏程度和其工作性能、降低消耗，減少氣敏材料制備過程的能耗；②要減少成本、簡(jiǎn)化操作過程、縮小氣敏傳感器的體積，使其更為方便的被人們所使用；③要把氣敏傳感器向多功能發(fā)展，發(fā)現(xiàn)其更多的用途，使氣敏傳感器的使用范圍較現(xiàn)在跟為廣泛[9]。

除此之外，氣敏傳感器發(fā)展還應(yīng)該注重市場(chǎng)的走向，以國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化需求和人民生命財(cái)產(chǎn)安全服務(wù)為目標(biāo)，大力開發(fā)新型氣敏元件傳感器，重點(diǎn)生產(chǎn)更為專業(yè)的氣敏元件傳感器，做好宣傳工作，廣泛使用氣敏傳感器，發(fā)展和完善氣敏元件傳感器、變送器、報(bào)警器和應(yīng)用裝置系統(tǒng)等氣敏綜合應(yīng)用技術(shù)，組建有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)集團(tuán)，開發(fā)有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，推動(dòng)我國(guó)氣敏技術(shù)跨上一個(gè)新臺(tái)階。在具備條件的企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)建立技術(shù)中心，配備先進(jìn)開發(fā)手段；產(chǎn)品工藝方面，重點(diǎn)解決厚膜、電化學(xué)和集成工藝技術(shù)，主要產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界同期先進(jìn)水平，開發(fā)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品如常溫低功耗（電池供電）氣敏傳感器，新型環(huán)境氣敏傳感器等。

項(xiàng)目來源：長(zhǎng)春師范大學(xué)2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2016102050 55）。

[1]黃敏桐.氣敏傳感器在工業(yè)和民用領(lǐng)域的應(yīng)用[J].福建建材，2006：3.[2]陳長(zhǎng)慶，胡 明，吳霞宛.氣敏傳感器的發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2003（1）.

[3]張偉瑋.二氧化錫氣敏傳感器的研究[D].華東師范大學(xué)，2015.

[4]徐之昊.半導(dǎo)體傳感器的原理應(yīng)用及發(fā)展分析[J].科技視界，2017.

[5]王康.SnO2基氣敏傳感器的制備與研究[D].山東大學(xué)，2013.

[6]劉增偉，楊希，孫杰，馬鳳國(guó).二氧化錫基氣敏材料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017.

[7]張麗萍.氣敏傳感器的研究進(jìn)展[J].吉林工商學(xué)院學(xué)報(bào)，2012：92～93.

[8]周志剛，胡木林，李鄂勝.金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011.

[9]吳曉嵐.氣敏傳感器的應(yīng)用研究[J].新課程（下），2015.