SnO2基CO传感器的研究进展.doc

SnO2基CO传感器的研究进展 ?月湛江师范学院学报，第卷第期基传感器的研究进展付永春（商丘技师学院基础文化教研室，河南商丘）摘要概述了各种气敏材?及气体传感器主要叙述了纳米（材?的制备方法及基传感器的研究进展并探讨了基气体传感器的敏感机?关键词气敏；气体传感器；纳米；（）传感器技术是一项当前世界令人瞩目的迅速发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志气体传感器作为传感技术的一个重要分支，同样受到了广泛重视?，日本人清山哲郎发现了氧化物半导体薄膜的气敏效应，并于同?研制出了第一只半导体薄膜气体敏感元件?，半导体气体敏感元件在日本投入市场，使半导体气体敏感元件得到了迅速发展此后，人们又研制了其它材?的半导体气体敏感元件，如。 。 ，。 ，。 ，。 。 ，。 以及有机材?的气体敏感元件，从而开辟了气体敏感元件的新天地随着科学技术的发展，工业生产规模逐渐扩大，产品种类?断增多，在生产中使用的气体原?和生产过程中产生的气体种类和数?也?断增多这些气体中有些是?燃?爆的气体、有些是毒性气体，他们的泄?仅污染环境，而且?产生爆炸、火灾及使人中毒等恶性事件随着人类生活水平的?断提高，液化石油气、天然气及城市煤气作为家庭用燃?迅速普及，这些气体的泄?引起的爆炸和火灾事故也严重威胁人们的生命财产安全因此，对这些气体作出快速准确的检测和监控是十分必要的同时，随着科技的发展，气敏元件可与大规模集成电?、计算机等结合起来，其应用领域正在?断扩展，这些方面都促进了气体传感器的发展气敏材?气体传感器的核心部件是气体敏感元件，主要由气敏材?制成气敏材?是一种功能材?，遇到特定的气体时，在一定条件下其物?化学性质将随外界气体种类、浓度的变化而发生一定的变化现在使用的气敏材?主要有陶瓷气敏材?和高分子气敏材?两大类口气敏陶瓷是一种功能陶瓷材?，主要组成成分为一些金属氧化物按照其气敏原?的?同，主要有以下几种）半导体气敏陶瓷这类材?对气体的吸附化学反应而产生电导率变化，如、和一。 等半导体气敏材?对气体的敏感性与温度有关常温下敏感度较低，随着温度的升高，敏感度增加，在一定温度下达到峰值由于这些气敏材?需要在较高温度下（一般大于）达到敏感度最好，这?仅要消耗额外的加热功率，还会引发火灾为了降低这种气敏材?的工作温度，使其能在常温下工作，必须大大提高它们在常温下的灵敏度为此需使用各种催化剂，如中加、等一作者简介竹永春（一）。 男，河南商丘人商丘技师学院高级讲师，从事化学教学及科研工作万方数据湛江师范学院学报（自然科学）第卷目前，除了常用的单一金属氧化物陶瓷外，又开发了一些复合金属氧化物半导体气敏陶瓷和混合金属氧化物气敏陶瓷举例如表所示）接触燃烧式气敏陶瓷利用材?对气体的接触燃烧反应产生的热?，改变另一种材?电阻值这种材?需要有两种材?配合使用一种材?和气体发生接触燃烧反应，拐一种材?的电阻对温度敏感（多选用丝），如。 丝、。 丝等）固体电解质气敏陶瓷利用一些固体电解质对气体的选择性透通性能，当一些气体存在时在电解质中产生离子，从而形成浓差电势等按产生离子?同，分为类一类是材?吸附气体后产生离子与材?中移动离子相同；另一类是材?吸附气体后产生离子与电解质中移动离子?同；第类产生离子既?同于移动离子也?同于固定离子常用电解质有（），。 一（），等高分子气敏材?，在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材?表面声波传播速度和频率、材?重?等物?性能发生变化主要有膜、酞菁聚合物、苯菁基乙炔、聚异丁烯和氨基十一烷基硅烷等由于高分子气敏材?具有工艺简单、常温选择性好、价格低廉和?与微结构传感器和声表面波器件相结合等特性，具有广阔的应用前景表主要半导体气敏陶瓷材?气体传感器气体传感器按所用气敏材?及气敏特性?同，可分为）金属氧化物气体传感器作为这类气敏元件的基体材?主要是半导体金属氧化物以及复合金属氧化物如、。 、。 、。 、。 和。 等气敏传感器能检测、。 、丙烷、丁烷、天然气等可燃性气体，、。 、等有毒气体，乙酸、甲苯、二甲苯、汽油等有机溶剂和氟利昂、烟雾、鱼、肉的鲜度等研究发现贵金属，等能明显提高气敏材?的响应速度，缩短瞬态过程，各种增敏剂和添加剂能够显著改善气敏元件的选择性和灵敏度。 也是研究较多的一种气敏材?。 对乙炔、丙酮、乙醇等可燃气体表现出较高灵敏度，丫一。 对异丁烷、丙烷的灵敏度较高主体材?为复合金属氧化物的半导体气敏材?，主要为钙钛型（。 ）和型（。 ）两种结构绝大多数半导体复合金属氧化物气敏元件对乙醇气体有很高的灵敏度，例如。 、。 、。 等对。 都有较高的灵敏度和选择性，而对其他还原性气体灵敏度很低）有机半导体气体传感器目前有机高分子半导体气体敏感材?有卟啉、卟吩和它们的衍生物、络合物等，以及聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、口一胡萝素等有机高分子气体传感器对特定分子有高灵敏度，高选择性，结构简单，可在常温条件下使用这类材?的另外特点是?于修饰，并可以按功能需要进?分子设计和合成）纳米材?气体传感器近?来的研究表明，采用纳米尺寸的金属氧化物气敏材?能够显著提高半导体气体传感器的气敏性能近?来发展的纳米合成技术为提高传感器的灵敏度和降低工作温度奠定了很好的基础此外，随着现代科技的飞速发展，人们对传感器的功能要求也越来越高，如多功能化，微型化，高速化等，这些都与纳米材?的大的比表面积、高活性、特异物性、微小性等特征相对应）其它类型气体传感器比如固体电解质式气体传感器、结构型半导体气体传感器、电化学式气体传感器、接触燃烧式气体传感器、高分子式气体传感器等气体传感器主要应用于以下几个方面（）民用包括厨房（检测天然气、液化石油气和城市煤气等民用万方数据第期付永春基传感器的研究进展燃气的泄?）；住房、大楼、会议室和公共娱乐场所（用以检测二氧化碳、烟雾、臭氧和难闻气体，并控制空气净化器或电风扇自动运转）；高层建筑物（用于检测火灾苗头并报警）；（）工业应用包括石化工业（检测二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、氨气、硫化氢及氯气等有毒有害气体）；半导体和微电子工业（检测有机溶剂和磷烷，砷烷等剧毒气体）；电?工业（检测电?变压器油变质过程中产生的氢气）；食品工业（检测肉类等?腐败食物的新鲜度）；汽车和窑炉工业（检测废气中的氧气，以控制燃烧，实现节能和环保双重目标）；公?交通（检测驾驶员呼气中乙醇气浓度，防止酒后开车）；（）环境检测包括检测引起酸雨的气体（氮的氧化物、硫的氧化物、氯化氢等）；检测温室效应气体（二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、氟?昂等）；检测破坏臭氧层的气体（臭氧、氟?昂等）；检测难闻气体（氨气、硫化氢等）。 气体传感器由于具有以下几个显著特点而受到了较多关注（）对大多数气体均敏感，具有较广泛的应用性（）可以通过在材?中掺杂?同的物质调节元件阻值大小，从而达到进?气敏测试的目的（）可以通过在材?中掺杂?同的物质改变元件的选择性，从而提高元件对于某种气体的响应如在。 材?中掺杂可提高对的响应，在。 材?中掺杂可提高对。 的响应，在材?中掺杂可提高对的响应等等纳米的制备。 是一种重要的半导体传感器材?，用它制备的气敏传感器具有灵敏度高、工作温度低的特点，被广泛用于各种可燃气体、工业废气、环境污染气体以及其他各种有害气体的检测和预报以为基制备的湿敏传感器，在改善室内环境、物资储藏、精密仪器设备机房以及图书馆、美术馆、博物馆等场所有广泛的用途在中加入一定?的、。 、。 、。 、。 等，可制成阻值?同的压敏电阻，在电?系统、电子线?、家用电器等各种装置中，尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导移能和无间隙避雷器等方面都有广泛的用途此外，。 具有特定的导电性和反射红外线辐射的特性，对可见光具有良好的通透性，在水溶液中具有优良的化学稳定性，在光电子装置、液晶显示、太阳能电池、透明导电电极、防红外探测保护等领域也有广泛的用途与传统相比，由于。 纳米材?具有?子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观?子隧道效应，因而在光、热、电、声、磁等物?特性以及其他宏观性质方面都会发生显著的变化所以可以通过纳米材?的运用来改善传感器材?的性能纳米微粒是在三维方向上尺寸都处于纳米尺度范围的纳米材?（零维纳米材?）制备纳米微粒的常用方法有微乳液法、溶胶一凝胶法、低温等离子体化学法、金属醇盐烃化法、硝酸氧化法、液相沉淀法、超临界流体干燥法、电弧气焊合成法等等【溶胶一凝胶法的基本原?是金属醇盐或无机盐经过水解后形成溶胶，然后溶胶聚合凝胶化，再经干燥、焙烧等低温热处?，除去所含有机成分，最终得到纳米尺度的无机材?超微颗粒溶胶一凝胶法的特点是合成温度高、产物纯度高、超微颗粒均匀、制备过程容?控制用溶胶一凝胶法制备纳米微粒的工艺过程是将溶解在乙醇中，搅拌，经回流，?化，在室温放置，然后在的水浴锅中干燥，再在烘干，?可得到纳米微粒微乳液法是利用两种互?相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液，再从乳液中析出固相这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从而可形成球形颗粒，又避免了颗粒之间的进一步团聚这种方法的关键是使每个含有前驱体的水溶液滴被一连续油相包围，前驱体?溶于该油相中，也就是要形成油包水型乳液这种非均相的液相合成法具有粒度分布较窄、容?控制的特点具体的制备方法是在的。 溶液中加入少?盐酸和阴离子表面活性剂，在磁?搅拌器上加热搅拌，控制温度为，然后依次加人醇，双氧水和环己烷，形成乳白色溶液，再加入氨水，溶液的值控制在（）制得沉淀，经陈化、过滤、洗涤、烘干、灼烧、研磨、过筛，?可获得纳米微粒化学沉淀法是将沉淀荆加入到包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中，使溶液发生水解反应，形成?溶性的氢氧化物，水合氧化物或盐类从溶液中析出，然后将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，并经过热分解或万方数据湛江师范学院学报（自然科学）第卷脱水处?，就可以得到纳米尺度的粉体材?化学沉淀法的优点是工艺比较简单，缺点是纯度较低，粒径较大傅军出一和李来风等人就用化学沉淀法制备出了纳米微粒纳米薄膜是一种在一维方向尺寸较小（）、另两维方向尺寸较大的二维纳米材?纳米薄膜的制备方法主要有化学气相沉积法、溶胶一凝胶法、溅射法、电沉积法等无论采用?么方法制备纳米薄膜，都有一个共同特点，那就是必须首先选择一定的薄膜基板（或基片）为衬底人们通常选用的衬底材?有铝片、铜片、硅片、玻璃、单晶等等离子体化学气相沉积法（）是一种借助等离子体使含有薄膜组成原子的气态物质发生化学反应，在基板上沉积薄膜的方法研究表明，用法制备的纳米薄膜，颗粒越小，传感器的气敏性能越好，器件的工作温度仅为溶胶一凝胶法的基本步骤是先利用金属无机盐或有机金属化合物在低温下液相合成为溶胶，再采用提拉法或旋涂法，使溶液吸附在衬底上，然后经过胶化过程成为凝胶，最后经一定温度处?后，?可得到纳米晶薄膜溅射镀膜法是利用直流或高频电场使惰性气体发生电离，产生辉光放电等离子体，电离产生的正离子和电子高速轰击靶材，使靶材上的原子或分子溅射出来，然后沉积到基板上形成薄膜基传感器目前达到实用化水准的传感器主要分为金属氧化物半导体型、电化学固体电解质型和电化学固体高分子电解质型等三种类型其它如触媒燃烧型、场效应晶体管型及石英晶体谐振型等则使用较少常用的传感器如表所示表种类优传感器的种类及优缺点点缺点触媒燃烧型输出信号与气体体积分数成线性关系；受温度、湿度影选择性差；?被污染而?化；受风速影响大反响小，适合用于较高气体体积分数的检测应速度较半导体型慢金属氧化物半导体型固体电解质型对低体积分数气体信号输出变化大、灵敏度高；使用寿输出信号与气体体积分数为非线性关系；?适命长；检测电?简单；响应速度快宜用在高体积分数气体检测；选择性?佳选择性好；可测?较低体积分数气体；测试准确度高稳定性好；耐高温；耐强酸需高温工作；?款污染而?化灵敏度较差；选择性较差场效应晶体管型石英晶体振动型灵敏度高；可测?较低体积分数分布；测试准确度高选择性较差；?受温度影响；?受湿度影响体积较大；?受污染固体高分子电解质型可在高温下工作；灵敏度高；响应速度慢等人利用溶胶一凝胶技术制备了纳米多孑晶薄膜粒径为（），孔径为（），并对其表面形貌、一氧化碳敏感性进?了研究，结果表明，该薄膜对一氧化碳响应快、恢复时间短利用激光蒸发技术，制备了纳米晶，用粉末衍射、透射和扫描电镜对其进?形貌和结构分析，结果表明，与传统的湿化学方法相比，此法制备的材?对氢气、一氧化碳、甲烷混合气有很好的响应灵敏度等人采用金属有机化学气相沉积法（），以四乙基锡作为有机金属源制备薄膜，利用、等方法对其结构进?表征，并将之与采用金属有机分解法（）制备的厚膜进?微结构比较，其结论是法制得的薄膜具有粗糙、浓密的柱状结构，而法得到的厚膜具有孔结构，这两种传感器对氢气、一氧化碳都有很好的灵敏度张硕等人利用共沉淀法制备了的低功耗一氧化碳敏感元件气敏特性分析结果证实了该元件具有灵敏度高、选择性和稳定性好等优点等人则研究了紫外光照射下的。 。 （分别在空气中利用直流溅射液延生长热氧化技术和在空气或氧气气氛中采用反应的磁控溅射技术制备）对一氧化碳和二氧化氮的敏感程度，结果表明，在室温下该气体传感器具有很好的气敏特性等薄膜沉积在硅片上，并复合。 薄膜结构，用。 厚膜作为催化万方数据第期付永春。 基传感器的研究进展。 剂制成传感器来检测，实验研究发现在温度较低的环境中，有相对较高的灵敏度，而氢气在同样的环境中，灵敏度几乎为零同时，该传感器的选择性好，检测限低，响应恢复快，能耗低该传感器具备良好的应用前景徐甲强等分别用化学沉淀法和浸渍法制备了未掺杂和金掺杂的氧化铟气敏材?，所得产物为球形，尺寸均匀且分散性较好同时探讨了氧化铟气体传感器的气敏性能和气敏机?，并建立了金掺杂氧化铟的敏感机?模型实验结果表明以质?比的金掺杂氧化铟对一氧化碳的反应有较高的灵敏度和选择性，而对没有明显的增敏作用根据金掺杂氧化铟对的催化氧化性能与气敏性能基本一致的结果，提出了金对氧化铟的增敏机?为化学增敏作用，反应机?图如图所示啦图元件构造图图金对氯化铟的增敏机?图等用溶胶凝胶法制备了和纳米材?，并研究了传感器在?同浓度、。 存在下对乙醇的灵敏度，实验结果表明质?比。 掺杂的传感器在、。 存在的情况下，可以增强对乙醇的选择性和灵敏度同时，该传感器对于、。 的响应也有很大的增加等们通过快速氧化锡制得了。 纳米带，将纳米带分散于乙醇滴在石英薄片上，再将金膜沉积在上面实验表明，金纳米粒子修饰。 纳米带制得的传感器对于的测定敏感度很高，响应时间短当温度为（）的时候，检测限可以达到图传感器对?同浓度的丙烷和甲烷的灵敏对比图图?同温度下传感器对?同浓度的灵敏度对比图等使用非离子表面活性剂一制备了纯和掺杂金的。 ，发现掺杂?同浓度金的薄膜对有高的选择性和灵敏度实验表明在质?比金掺杂的传感器对有最大响应等通过电沉积再氧化的方法制备了高纯度和立方晶体结构的多孔薄膜，使用电位和阻抗法检测了空气中和硫酸溶液中传感器对的响应实验结果表明在浓度为万方数据湛江师范学院学报（自然科学）第卷的情况下，传感器对空气中的响应随着操作温度的升高而增加而相应阻抗的可检测浓度和操作温度却可低至和室温由此可见，阻抗法是十分具有前景的检测的方法等用共沉淀法制备了。 纳米粒子并以此为基体制成了传感器，试验发现在丙烷和甲烷存在的情况下，传感器对于的灵敏度高，相应浓度低，响应温度低纳米粒子制成的传感器比纯制成的传感器在相同情况下有?高的灵敏度和?好的选择性等用。 ，肼和在室温下制备了。 薄片，该。 薄片的形貌和尺寸大小是可以控制的该薄片制得的传感器可在浓度为叫时的响应达到，远高于粉；其响应时间也仅为，远远小于。 粉传感器的同时，还对两者的机?进?了探讨等们利用反胶团法将纳米尺寸的沉积到纳米粒子上制备气体传感器实验表名明，传感器的气体敏感性质与上沉积的粒子尺寸密切相关随着粒子尺寸的增大，传感器的响应三逐渐减小，在一时获得响应的最大值等制备了一敏感材?，！并制成了型半导体传感器实验表明，在。 。 摩尔比为时，传感器对有最大响应而掺杂了后，响应会比未掺杂的显著提高该传感器可检测的浓度范围为等制备了传感器，发现掺张（？）杂的。 在工作温度为，浓度为图?同温度下金掺杂前后对与甲烷的时对的灵敏度是纯的倍，灵敏度比率图是掺杂。 的倍通过掺杂。 能够克服与共存的对的干扰问题等【对。 基烧结型传感器作了系统的研究，发现在。 中掺杂碱金属能有效地提高的灵敏度，而且使的灵敏度有所下降，其中的掺杂效果最为明显，工作温度时，对为的。 和的混合气，的灵敏度高达，选择性。 在。 基体材?中掺杂质?分数为的。 ；、的也能提高选择性，但会使灵敏度下降引综上所述，我们可以看出，近期对于基传感器的研究热点主要集中在以下几个方面制备?同形貌的。 材?进?气敏测试，通过掺杂?同比例的各种物质提高材?对于气体的灵敏度和选择性，降低气体检测限以及气敏的机?研究基气体传感器气敏机?属于型半导体，含有氧空位或锡间隙离子，气敏效应明显一般认为其气敏机?是表面吸附控制型机制即在洁净的空气（氧化性气氛）中加热到一定的温度时对氧进?表面吸附，在材?的晶界处形成势垒，该势垒能束缚电子在电场作用下的漂移运动，使之?穿过势垒，从而引起材?电导降低；而在还原性被测气氛中吸附被测气体并与吸附氧交换位置或发生反应，使晶界处的吸附氧脱附，致使表面势垒降低，从而引起材?电导的增加，通过材?电导的变化来检测气体普遍认可的?论模型方程为和蜘等人研究了对的敏感机?后认为，常温下，空气中的氧以分子氧的化学吸附态存在于气敏材?的表面万方数据第期付永春基传感器的研究进展（）一一（）当气敏材?处于以上的工作状态时，化学吸附的氧将以一甚至的形式存在，吸附氧在半导体表面俘获大?电子，致使材?电导减小；而还原性气体与一发生反应（）一（）一（）一此时，释放电子，电导率增大等人用研究了。 对的敏感机?，认为的敏感活性?仅有活性氧的作用，在的接触过程中形成过渡态化合物，发生化合价的改变也是一种主要的增敏作用，从而得出如下反应式（）一一（）（）（）一一（）（）（）（）（），（）（）一而跎等人研究了气体在潮湿气氛中的气敏机?，得出以下结论的敏感机?是由于其与材?表面的特殊物质一羟基发生反应生成过渡态物质，然后，再以。 的形式释放，此时，产生电子交换，达到气体检测的目的脚展望随着现代科技的飞速发展，人们对传感器的功能要求也越来越高，如多功能化，微型化，高速化等，这些都与纳米材?的大的比表面积、高活性、特异物性、微小性等特征相对应对生活，工作环境中的体积分数实施准确而有效地检测与报警是一个与人类生态和工作环境相关的重要问题，因此，传感器在工业、生物、医疗卫生、环境监测和日常生活等方面有广泛的应用市场目前实用化的传感器的发展方向是微小型化、集成化、智能化和多功能化，并且在长期工作稳定性、?维修性方面有越来越高的要求参考文献刘新李淑娥气体传感器的应用与发展中国西部科技（）刘义祥气敏材?与气体传感器的发展与展望消防技术与产品信息（）（）。 李俊寿。 尹玉军，尹晓春，（）。 纳米材?制备技术的研究粉末冶金技术，。 （）。 傅军，?吉。 王?茂等化学沉淀法制备纳米。 晶化特征的穆斯堡尔谱分析海南大学学报自然科学版。 （）李来风潘晓晴纳米晶。 粉末的制备材?研究学报。 （）杨邦朝段建华一氧化碳传感器的应用与进展传感器技术（）一，。 （）。 （）（）。 （）张硕等低功耗敏感元件的研制云南大学学报（）?（）?。 万方数据湛江师范学院学报（自然科学）第卷（）。 徐甲强。 韩建军谢冰等。 气体传感器的性能与机?研究传感技术学报。 （），。 （），“（）。 （）。 ?，（），（）。 。 。 （）（），（）。 （）一（）。 。 （）。 。 ，（）；一。 。 。 。 。 （）一郭书玲，王晓华，徐甲强等氧化铟纳米材?的制备及其在气体传感器中的应用传感器世界（）。 ，。 。 ，。 徐甲强。 韩建军。 孙雨安，等半导体气体传感器敏感机?的研究进展口传感器与微系统。 。 （）。 ，（，），一；万方数据SnO2基CO传感器的研究进展作者刊名英文刊名年，卷(期)付永春，FU Yongchun商丘技师学院,基础文化教研室,河南,商丘,476000湛江师范学院学报JOURNAL OFZHANJIANG NORMALCOLLEGExx,31 (3)参考文献(33条)1.Chu Xingdong查看详情19992.WangYoung Chung查看详情19933.查看详情19924.Shulan Wang;Zhuoxin Wang;Xuan Liudc andac responseof SnO2sensor toCOxx5.Niranjan S;Ramgir;Young KyuHwang;Sung HwaJhung,Hey-Kyung Kim,Jin-Soo Hwang,Imtiaz S.Mulla,Jong-San ChangCO sensorderived frommesostructured Au-doped SnO2thin film外文期刊xx (12)6.Qian LH;Wang K;Li YCO sensorbased onAu-decorated SnOznanobeltxx7.Jin ZH;Jin ZL Applicationof nano-crystalline poroustin oxidethin filmfor CO sensing1998(1-2)8.杨邦朝;段建华一氧化碳传感器的应用与进展期刊论文-传感器技术xx 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