气敏材料的合成与.ppt

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1、气敏材料的合成与制备气敏材料研究背景n传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可将人类需要探知的非电量信息转化为可测量的电量信息，为人类认识和控制所需对象提供了条件和依据。作为现代信息技术核心之一的传感技术，是本世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。n气体传感器是传感器领域的一个重要分支，它是识别气体种类并将其转变为电信号的器件，是气体定量或半定量检测，泄漏报警、控制等的理想探头。气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的;可以是单一的构件，也可以是许多传感器的组合阵列。气体传感器主要应用领域理想气体传感

2、器的特点目前存在的问题n可靠性n长期稳定性n选择性n被测气体种类n寿命半导体气体传感器分类n常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。n接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。图4-156热导式气敏传感器a）结构b）测量电路电化

3、学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。图4-154气敏电阻的结构及原理图4-155气敏电阻的测量电路半导体气体传感器分类n金属氧化物半导体气体传感器n电阻式n非电阻式n有机半导体气体传感器半导体气体传感器nSnO2,ZnO是电阻式

4、金属氧化物半导体传感器气敏材料的典型代表，它们兼有吸附和催化双重效应，属于表面控制型，但该类半导体传感器的使用温度较高，大约200-5000C。为了进一步提高它们的灵敏度，降低工作温度，通常向基体材料中添加一些贵金属(如Ag,Au,Pt等)，激活剂及粘接剂Al2O3,SiO2,ZrO2等。-5n例如对于含量在1X10数量级的H2S气体，添加1%ZrO2的SnO2气体传感器与未添加ZrO2的元件相比，灵敏度增加约50倍左右；n在SnO2中添加Pt能明显提高响应时间；n采用粉末溅射技术制备的表面层掺杂SnO2/S

5、nO2:Pt双层膜材料气体传感器用来检测CO的浓度，发现可降低工作温度，在室温~200℃内均显示出较高的灵敏度；n通过添加不同的添加剂还能改善气体传感器的选择性，在ZnO中添加Ag能提高对可燃性气体的灵敏度，加入V2O5能使其对氟里昂更加敏感，加入Ga2O3能提高对烷烃的灵敏度。研究重点n（1）智能化n近年来采用薄膜技术和集成电路技术把加热元件、温度传感器、叉指电极、气体敏感膜集成在硅衬底上制成的传感器，不仅灵敏度比常规多晶膜传感器高得多，并且结构简单、制作方便，还可以根据被测气体选择不同的敏感膜，使得该类传

6、感器成为很有发展前景的新型半导体气体传感器。n（2）对现有气敏材料的改性研究nSnO2,ZnO,Fe2O3为基质的半导体气敏材料仍然是目前市场的主流，但这类材料的纳米化、薄膜化已渐成趋势；采用表面修饰技术和掺杂技术来改善同一基质材料对不同气体的选择性和敏感性。n（3）开发元件的高稳定化方法n电阻式半导体气体传感器的气敏元件一般暴露在大气中及加热元件的电压值决定了气敏元件的工作温度，如何消除湿度和温度等环境因素对测量的影响还未得到很好的解决。n（4）新型气敏材料的探索与开发n由于金属复合氧化物和混合金属氧化物新

7、材料具有更高的稳定性和选择性，所以对这类新材料的开发和研制成为半导体气体传感器的开发热点。n（5）开发新型气体传感器n根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气体传感器是气体传感器未来发展的重要方向和后劲。近年来表面声波气体传感器、光学式气体传感器、石英谐振式气体传感器己有不少研究报导。目前仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想气敏传感器，结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的“电子鼻”将是气体传感器发展的重要趋势和目标之一。n（6）气体传感器敏感机理的研究n新的气敏材

8、料和新型传感器层出不穷，需要在理论上对它们的传感机理进行深入研究。传感机理一旦明确，设计者便可有据可依地针对传感器的不足之处加以改进，这必将推动气敏材料和气体传感器的进一步发展，也将大大促进气体传感器的产业化进程。半导体气敏材料的制备技术n半导体气敏材料主要利用材料的表面吸附和表面效应而引起自身物理量的变化来进行检测。n气敏材料的纳米化是提高半导体气体传感器性能的主要手段之一，通过控制材料的颗粒尺寸