气敏传感器的研究进展

张晗

（长春师范大学 吉林长春 130000）

1 引言

随着我国经济的迅猛发展，工业方面也取得了较大进步，随之而来的问题便是废气的排放与环境的污染。大量的废气由于不适当的排放造成了许多环境问题，近年来我国空气污染空前严重，环境也频频亮起红灯，这警示我们不得不重视这一系列的问题。当今的工业高度发达，这些污染所带来的损失已经威胁到了人类的生存，引发了温室效应、酸雨、臭氧层的破坏等一系列的环境问题[1]，解决这些问题的关键便是迅速准确的检测到这些有毒、有污染的气体，所以气敏传感器便得到了应用与发展。

气敏传感器，也称气体传感器，是一种检测特定气体的传感器。它利用许多物理和化学的反应，将待测气体的种类、浓度、成分等有关信息在一定条件下转换为电信号，我们可以根据这些电信号对气体进行进一步的检测、监控、并在气体达到一定浓度时发出报警。气敏传感器在当今的生活中应用非常广泛，比如酒精检测仪、烟雾报警器、煤气检测等，给人们的生活带来了极大的便利[2]。

2 气敏传感器的研究现状

目前，美国、德国和日本等国家气敏传感器应用广泛，主要使用的是可燃性气体气敏元件传感器，应用于检测并监控气体的排放和泄漏，使用范围大到工业化的工厂、小到居民住户。国外之所以气敏传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识很强，对环境安全性和生活舒适性要求极高；另一方面是目前的传感器市场在政府与国家的鼓励下得到进步。因此气敏传感器技术迅猛发展。

而在国内，虽然气敏传感器的种类非常的多，但使用最多、最广泛的依然是半导体气敏传感器，它具有以下优点：体积小、能耗低、构成简单、使用方便等。半导体气敏传感器的主要材料是SnO2，SnO2是一种广谱型气敏材料，由于其成本较低、设备简单、灵敏度较高、物理化学稳定性较好，已成为我国大量使用的气敏材料。目前，我国在不断开发新的气敏材料，如Al2O3、石英晶体和有机半导体等气敏材料，这些材料也将陆续的投入使用[3]。对与气敏材料的研究主要从以下三个方面着手：①要尽力寻找和探索新型的气敏材料；②对于现有的气敏材料，应该注重完善其性能、提高其灵敏度和纯度，对其制备工艺和过程进行更为严格的把控；③运用现有的资料研究气敏材料的原理，并且应用于新材料的探索过程中，完善新型气敏材料的制备工艺。

大体上，我国的气敏传感器技术已经取得了较大的进步与发展，但是与美国、日本等先进国家相比仍然在技术和应用方面存在着差距，在完善现有气敏传感器技术的基础上，还应该大力发展新型的气敏传感器技术，努力达到世界的先进水平。

3 气敏传感器的分类

由于被测气体的种类繁多，且这些气体的浓度、成分等性质也各不相同，所以检测这些气体所用的传感器也并不相同，这就要求有不同种类的传感器来检测不同的气体。这些传感器也有一定的分类，按照气敏传感器所使用的材料可分为半导体气敏传感器和非半导体气敏传感器两大类[4]。

目前在工业生产和社会生活中使用最多的是半导体气敏传感器。半导体气敏传感器在工作的过程中，半导体的表面与待测气体的接触会引起化学反应，同时在这一过程中所产生的电导率也会发生变化，利用这一改变来检测出相应的气体成分和浓度等。利用半导体气敏传感器来检测气体的性质，一般可以用来做检测气体泄漏的仪器、气体报警器以及自动控制仪器和测试仪器等。通过把气体转换为电子信号，从而传输给气敏器，气敏传感器通过吸附平衡状态稳定值、吸附平衡速度以及吸附平衡值与温度的依存性来获取电子信号。此外，半导体气敏传感器还能够通过检测气体的成分从而测出空气中的有害气体，这对空气污染尤为严重的今天起到了非常大的作用[5]。

半导体气敏传感器并非单一类型的气敏传感器，也可以按照其自身的特性将半导体式的气敏传感器进行分类，半导体与气体相互作用时会产生一系列的变化，而这些变化可能在半导体的表面也有可能会深入到半导体的内部，根据这些不同可以将半导体气敏传感器分为表面控制型和体控制型。顾名思义，表面控制型就是半导体与气体发生电子接受作用时的变化仅限于半导体表面，使半导体的物理性质发生相应的改变，但其内部并不发生变化；而体控制型则是半导体与气体反应时的变化使内部发生改变而不改变其自身性质。

半导体与气体发生反应使得物理性质的改变各不相同，我们根据变化了的物理特性可将半导体气敏传感器分为电阻型和非电阻型。电阻型半导体气敏传感器利用气敏材料与气体发生反应时电阻值的变化来检测气体的成分或浓度。电阻型气敏传感器的灵敏度较高、制作简单，近年来被广泛地使用，但电阻型气敏传感器仍然存在一些缺点，如寿命短、工作温度高等。现如今应注重改善其性能，尽可能地避免其短处，这样才能更好的发挥电阻型气敏传感器的作用。而非电阻型半导体气敏传感器是利用阻值变化以外的其它参数和性质来检测被测气体的浓度和成分。根据其参数又可将非电阻式的半导体气敏传感器分为二极管气敏传感器、MOS二极管气敏传感器和Pd-MOSFET气敏传感。

此外，也可以按照气敏特性给气敏传感器分类，具体可分为：电化学型气敏传感器、固体电解质气敏传感器、化学型气敏传感器和高分子气敏传感器等[6]。

4 传感器制备工艺

对于气敏传感器来说，最重要的是制备过程，而制备过程又可分为气敏元件的制备和气敏材料的制备，由于目前的生产和生活中使用最多的是半导体气敏传感器，所以本篇文章主要介绍半导体式气敏传感器的制备工艺。

4.1 气敏元件制备方法

气敏元件是气敏传感器的核心，所以气敏元件的制备尤为重要，主要是其材料的选用。气敏元件的制备方法主要有烧结法、薄膜法和厚膜法。

烧结法主要应用于SnO2型气敏传感器的气敏元件制备，是指将气敏元件的电极和加热器埋在金属氧化物中，然后利用高温加热直至成型，最后再借助低温来烧结。烧结法所用的高温一般为200～300℃。

薄膜法是用来制备ZnO气敏元件，采用真空镀膜工艺或溅射工艺，在石英或者陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜，这便构成了薄膜型气敏元件。

厚膜法是指将气敏材料与硅凝胶混合制成厚膜胶，然后在高温下烧结，制成厚膜型气敏元件，厚膜法所用的温度一般为400～800℃，此方法可进行批量生产。

4.2 气敏材料制备方法

气敏材料制备需要考虑多种因素，比如制备的成本、材料的纯度和操作的难易程度等。气敏材料的制备方法主要有：物理气相沉积法、化学气相沉积法和凝胶-溶胶法等。

物理气相沉积法又称为热蒸发法。使用该种方法制成的气敏材料纯度较高，但是此种方法对操作和使用的设备要求较高。热蒸发法利用真空蒸发、激光等方法将原料制成等离子体，然后在一定的介质中使其凝结成为所需要的气敏材料。

化学气相沉积法是利用两种或两种以上的气体原料进行的化学反应，之后通过冷凝形成纳米粒子。此方法主要用来制备半导体气敏传感器的气敏材料，制备的过程易于控制和操作且得到的材料纯度较高，但是得到的气敏材料的粒子尺寸较大。

凝胶-溶胶法广泛使用于制备气敏性金属氧化物薄膜。此种方法的操作简便、得到的气敏材料粒子活性较高、材料的纯度也很高，但是制备过程中的pH值和胶凝的速度会影响到材料的制备。凝胶-溶胶法是将原料分散在溶液中并经过水解形成活性单体，活性单体聚合成为溶胶然后生成凝胶，最后经过处理等到纳米粒子[7]。

5 结语

气敏传感器产业正向着规模化、专业化和自动化方向发展，由于近些年来经济的飞速发展，气敏传感器也成为了一种不可缺少的重要产品，新型气敏材料得到了深入的开发，气敏传感器技术也取得了较大进步，应用的领域也越来越广泛，在工业方面和民用方面都得到了充分的应用和发展。在工业方面主要体现在氧气传感器、毒性气体传感器等，在居民日常生活方面，主要应用于监控气体的泄露，防止火灾的发生以及检测酒精的浓度，降低发生交通事故的几率等[8]。

当今全世界正面临着严峻的环境问题，环保被摆在首要位置，气敏传感器要想得到更好的发展，就必须向低功耗、低成本、多功能的方向发展。具体应从以下三个方面着手：①提高其反应的灵敏程度和其工作性能、降低消耗，减少气敏材料制备过程的能耗；②要减少成本、简化操作过程、缩小气敏传感器的体积，使其更为方便的被人们所使用；③要把气敏传感器向多功能发展，发现其更多的用途，使气敏传感器的使用范围较现在跟为广泛[9]。

除此之外，气敏传感器发展还应该注重市场的走向，以国民经济现代化需求和人民生命财产安全服务为目标，大力开发新型气敏元件传感器，重点生产更为专业的气敏元件传感器，做好宣传工作，广泛使用气敏传感器，发展和完善气敏元件传感器、变送器、报警器和应用装置系统等气敏综合应用技术，组建有竞争力的企业集团，开发有自己知识产权的产品，推动我国气敏技术跨上一个新台阶。在具备条件的企业或企业集团建立技术中心，配备先进开发手段；产品工艺方面，重点解决厚膜、电化学和集成工艺技术，主要产品质量达到世界同期先进水平，开发具有知识产权的新产品如常温低功耗（电池供电）气敏传感器，新型环境气敏传感器等。

项目来源：长春师范大学2016年大学生创新创业训练项目（2016102050 55）。

[1]黄敏桐.气敏传感器在工业和民用领域的应用[J].福建建材，2006：3.[2]陈长庆，胡 明，吴霞宛.气敏传感器的发展[J].材料导报，2003（1）.

[3]张伟玮.二氧化锡气敏传感器的研究[D].华东师范大学，2015.

[4]徐之昊.半导体传感器的原理应用及发展分析[J].科技视界，2017.

[5]王康.SnO2基气敏传感器的制备与研究[D].山东大学，2013.

[6]刘增伟，杨希，孙杰，马凤国.二氧化锡基气敏材料研究进展[J].材料导报，2017.

[7]张丽萍.气敏传感器的研究进展[J].吉林工商学院学报，2012：92～93.

[8]周志刚，胡木林，李鄂胜.金属氧化物半导体气敏传感器稳定性研究进展[J].材料导报，2011.

[9]吴晓岚.气敏传感器的应用研究[J].新课程（下），2015.