張晗

（長春師范大學 吉林長春 130000）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，工業(yè)方面也取得了較大進步，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?shù)呐欧旁斐闪嗽S多環(huán)境問題，近年來我國空氣污染空前嚴重，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。當今的工業(yè)高度發(fā)達，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、酸雨、臭氧層的破壞等一系列的環(huán)境問題[1]，解決這些問題的關鍵便是迅速準確的檢測到這些有毒、有污染的氣體，所以氣敏傳感器便得到了應用與發(fā)展。

氣敏傳感器，也稱氣體傳感器，是一種檢測特定氣體的傳感器。它利用許多物理和化學的反應，將待測氣體的種類、濃度、成分等有關信息在一定條件下轉換為電信號，我們可以根據(jù)這些電信號對氣體進行進一步的檢測、監(jiān)控、并在氣體達到一定濃度時發(fā)出報警。氣敏傳感器在當今的生活中應用非常廣泛，比如酒精檢測儀、煙霧報警器、煤氣檢測等，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、德國和日本等國家氣敏傳感器應用廣泛，主要使用的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，應用于檢測并監(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很強，對環(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在政府與國家的鼓勵下得到進步。因此氣敏傳感器技術迅猛發(fā)展。

而在國內，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體氣敏傳感器，它具有以下優(yōu)點：體積小、能耗低、構成簡單、使用方便等。半導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、設備簡單、靈敏度較高、物理化學穩(wěn)定性較好，已成為我國大量使用的氣敏材料。目前，我國在不斷開發(fā)新的氣敏材料，如Al2O3、石英晶體和有機半導體等氣敏材料，這些材料也將陸續(xù)的投入使用[3]。對與氣敏材料的研究主要從以下三個方面著手：①要盡力尋找和探索新型的氣敏材料；②對于現(xiàn)有的氣敏材料，應該注重完善其性能、提高其靈敏度和純度，對其制備工藝和過程進行更為嚴格的把控；③運用現(xiàn)有的資料研究氣敏材料的原理，并且應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，我國的氣敏傳感器技術已經(jīng)取得了較大的進步與發(fā)展，但是與美國、日本等先進國家相比仍然在技術和應用方面存在著差距，在完善現(xiàn)有氣敏傳感器技術的基礎上，還應該大力發(fā)展新型的氣敏傳感器技術，努力達到世界的先進水平。

3 氣敏傳感器的分類

由于被測氣體的種類繁多，且這些氣體的濃度、成分等性質也各不相同，所以檢測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體氣敏傳感器和非半導體氣敏傳感器兩大類[4]。

目前在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中使用最多的是半導體氣敏傳感器。半導體氣敏傳感器在工作的過程中，半導體的表面與待測氣體的接觸會引起化學反應，同時在這一過程中所產(chǎn)生的電導率也會發(fā)生變化，利用這一改變來檢測出相應的氣體成分和濃度等。利用半導體氣敏傳感器來檢測氣體的性質，一般可以用來做檢測氣體泄漏的儀器、氣體報警器以及自動控制儀器和測試儀器等。通過把氣體轉換為電子信號，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。此外，半導體氣敏傳感器還能夠通過檢測氣體的成分從而測出空氣中的有害氣體，這對空氣污染尤為嚴重的今天起到了非常大的作用[5]。

半導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體式的氣敏傳感器進行分類，半導體與氣體相互作用時會產(chǎn)生一系列的變化，而這些變化可能在半導體的表面也有可能會深入到半導體的內部，根據(jù)這些不同可以將半導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體與氣體發(fā)生電子接受作用時的變化僅限于半導體表面，使半導體的物理性質發(fā)生相應的改變，但其內部并不發(fā)生變化；而體控制型則是半導體與氣體反應時的變化使內部發(fā)生改變而不改變其自身性質。

半導體與氣體發(fā)生反應使得物理性質的改變各不相同，我們根據(jù)變化了的物理特性可將半導體氣敏傳感器分為電阻型和非電阻型。電阻型半導體氣敏傳感器利用氣敏材料與氣體發(fā)生反應時電阻值的變化來檢測氣體的成分或濃度。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，如壽命短、工作溫度高等。現(xiàn)如今應注重改善其性能，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。而非電阻型半導體氣敏傳感器是利用阻值變化以外的其它參數(shù)和性質來檢測被測氣體的濃度和成分。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：電化學型氣敏傳感器、固體電解質氣敏傳感器、化學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體氣敏傳感器，所以本篇文章主要介紹半導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法、薄膜法和厚膜法。

燒結法主要應用于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。燒結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濺射工藝，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，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，但是此種方法對操作和使用的設備要求較高。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，然后在一定的介質中使其凝結成為所需要的氣敏材料。

化學氣相沉積法是利用兩種或兩種以上的氣體原料進行的化學反應，之后通過冷凝形成納米粒子。此方法主要用來制備半導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 結語

氣敏傳感器產(chǎn)業(yè)正向著規(guī)?；?、專業(yè)化和自動化方向發(fā)展，由于近些年來經(jīng)濟的飛速發(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)，氣敏傳感器技術也取得了較大進步，應用的領域也越來越廣泛，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，主要應用于監(jiān)控氣體的泄露，防止火災的發(fā)生以及檢測酒精的濃度，降低發(fā)生交通事故的幾率等[8]。

當今全世界正面臨著嚴峻的環(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。具體應從以下三個方面著手：①提高其反應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)展還應該注重市場的走向，以國民經(jīng)濟現(xiàn)代化需求和人民生命財產(chǎn)安全服務為目標，大力開發(fā)新型氣敏元件傳感器，重點生產(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、報警器和應用裝置系統(tǒng)等氣敏綜合應用技術，組建有競爭力的企業(yè)集團，開發(fā)有自己知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，推動我國氣敏技術跨上一個新臺階。在具備條件的企業(yè)或企業(yè)集團建立技術中心，配備先進開發(fā)手段；產(chǎn)品工藝方面，重點解決厚膜、電化學和集成工藝技術，主要產(chǎn)品質量達到世界同期先進水平，開發(fā)具有知識產(chǎn)權的新產(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。

項目來源：長春師范大學2016年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（2016102050 55）。

[1]黃敏桐.氣敏傳感器在工業(yè)和民用領域的應用[J].福建建材，2006：3.[2]陳長慶，胡 明，吳霞宛.氣敏傳感器的發(fā)展[J].材料導報，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，2015.

[4]徐之昊.半導體傳感器的原理應用及發(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，2013.

[6]劉增偉，楊希，孫杰，馬鳳國.二氧化錫基氣敏材料研究進展[J].材料導報，2017.

[7]張麗萍.氣敏傳感器的研究進展[J].吉林工商學院學報，2012：92～93.

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

[9]吳曉嵐.氣敏傳感器的應用研究[J].新課程（下），2015.