我国半导体气敏元件的发展 (自动保存的)

1、我国半导体气敏元件的发展过程和现状张开文 （昆明春光器材厂 ZKW46126.COM）气体传感器的品种和门类有很多，根据材料，结构和工艺可以分为不同类型的气体体传感器。现有的气体传感器有半导体，固体电解质，电化学，接触燃烧，红外等气体传感器。其中半导体气体传感器由于其制作简单，使用方便，价格便宜而被广泛应用在各个领域。本文根据作者一生研究和制作的经历，简单的把半导体气敏元件的发展过程作一介绍，与同行的朋友共同分享。早在1931年就发现了氧化铜（CuO）的电导随水汽吸附而改变。40年代到50年代主要是对半导体气敏材料的吸附机理的理论研究。由于工业现代化和人们的生活发展的需要，60年代国外的学者开

2、始了气体传感器的应用研究。当时日本对金属氧化物研究最为活跃，代表的学者有山添升，青山哲郎等。他们发表的一些文章至今还是指导半导体气敏元件研究的理论基础。相继研制出氧化锌（ZnO）和二氧化锡（SnO2）金属氧化物半导体气敏元件。1968年日本费加罗(FIGARO)成为世界上第一家半导体气敏元件的生产商，至今引领半导体气敏元件的研究和制造方向。我国气敏元件的诞生。吉林长春应化所是第一家开始研究半导体气敏的单位。我国半导体气体传感器的研究始于60年代末70年代的初。研制单位是是吉林长春应用化学研究所，主要的研究人员是王中纪研究员。于1972年成功研制出二氧化锡直热式气敏元件。人民日报发表了这一消息，

3、并为之发表了编者按，称之为填补了我国气敏元件的空白。就元件本身来说还是比较粗糙，性能也不稳定，尤其是寿命比较的短。但是他标志着我国气敏元件已经研制成功。当时的元件也有少量的应用，但数量很少。第一只商品化的气敏元件。在70年代初期我国的电子工业还很落后，但世界上的电子工业技术发展非常之快。各种新型电子元器件不断开发出来。各种传感器也相继出现，广泛的应用到各个领域。电子工业部向业内指出今后十年传感器将是发展最快的十大产业之一，并积极组织电子工业的厂家和研究所对各种传感器进行研究和开发。国营春光器材厂（电子部4322厂）是一家电子元器件的国防三线企业，为电动鱼雷配套生产各种电子元器件。有电阻平面金属

4、膜电阻，电容片式钽电容，陶瓷电容器，晶体管，陶瓷零件，玻璃绝缘子和厚薄膜的微型组件。可以说是一个全能电子元器件厂。在1972年电子部对我厂明确指出：除了军工生产任务要积极地完成外，要积极的开展新品的研究和开发。传感器开发和应用是个方向，今后十年将是各种传感器的天下。4322厂可以根据实际情况安排一些传感器的新品计划。工厂根据部里的意见，决定开展气敏、湿敏和压敏元件的研究和开发。成立了气敏、湿敏和压敏三个新品研究小组。在电子部的安排和帮助下，气敏组就到长春应用化学研究所王中纪老师的研究室学习。当时那个年代是不讲经济效益，只讲发扬风格。在应化所经过一个月的学习和培训气敏组基本掌握了烧结型直热式气敏

5、元件的制作。回到厂里就开展气敏元件的生产和应用开发。由于去长春应化所学习就是直接学习制作工艺，回厂时还带回一些材料和实验器皿，所以很快就建成了气敏试制生产线，很快就做出了一批气敏元件。1973年气敏元件正式投入小批量生产，同时研制了气敏检漏仪，气敏报警器。中国的第一个商品化的气敏生产厂诞生。在这之后哈尔滨通江晶体管厂也开始了半导体气敏元件的研究和开发，也到了长春应化所学习，并与吉林大学合作开发气敏元件。当时的气敏元件都是直热式烧结型，采用0.03-0.06mm的铂丝绕制成0.5mm的线圈，一个线圈做加热，一个线圈做输出电极，平行的放置在一个有机玻璃做的模具内，用液体石蜡固定，然后把研磨好的气敏

6、浆料滴在模具内，晾干后经烧结成型装配而成。加热电压为1v，加热电流在200mA左右，测试电压5V-10V，灵敏度大于3。稳定性不是很好，机械强度也不高，寿命也不长，对可燃性气体和酒精都敏感。总的质量水平不高，但基本上能满足探漏仪和简易报警器用。在70年代的末期和80年代的初期气敏元件主要用于可燃性气体的捡漏和报警。其主要用途是地下电缆和架空电缆的探漏。使用单位是邮电系统，铁路系统和通讯部队，也有少量用于防化部队。用量不大，产量也不大，一年的产量也就几千个，但价格不低，每只40元左右。气敏的发展在这一时期我国气敏元件的主要生产厂家就昆明春光器材厂，哈尔滨通江晶体管厂，辽源电子厂。总的产量估计2-

7、3万只。结构为直热式烧结型，都师出同门-长春应化所。大专院校和研究所对气敏元件的研究都很少，各厂家基本上都是按照应化所的工艺进行生产制作。春光厂最初也是按照应化所的工艺配方进行生产。后来根据国外的一些文献报道进行改进和提高，摸仿式制造。到了70年代末80年代初才有一些大专院校和研究所开始对气敏元件行研究，如吉林大学的孙良颜，中国科技大学的沈俞生，北京防化研究院的辛德媛。80年代以前我国有关半导体气敏的技术文章很少，特别是自主研发性的文章更少，多数文章是介绍性的综述文章。主要的资料来源于国外的杂志期刊，如英文的SENGSOR ACTORTOUS,日文的技术、电子材料，以及化学文摘。到80年代中期

8、半导体气敏元件的研究和制作的单位迅速的发展起来，据气湿敏专业会议参加人员的统计，国内有60多家单位在研究和开发半导体气敏元件。主要的生产厂家有昆明春光器材厂、哈尔滨通江晶体管厂、太原电子厂、北京电子管厂、昆明贵金属所、辽源电子厂等等。这一时期有关半导体气敏的文章也多了起来，到了90年代文章是最多的时期。其中比较有价值的是长春应化所、吉林大学、中科大、云南大学和华中科技大发表的文章。八十年代初期我国的气敏元件无论是质量还是产量都还很差。到了80年代末90年代初期半导体气敏发生了很大的变化，无论是生产厂家还是科研院所都在开始对半导体材料进行广泛的研究，并进行了一些基础性的研究和探讨，发表了很多文章

9、。全国传感器气湿敏专业委员会和气湿敏商情网也相继成立。当时比较活跃的研究单位有吉林大学、中科大，长春应化所、哈尔滨49所、合肥智能所、云南大学、西交大、黑龙江大学、内蒙古大学、昆明贵金属所、华南理工大等等。业内的学术带头人是吉大的孙良颜和中科大的沈俞生。主体材料除二氧化锡外，-Fe2O3、ZnO、In2O3、以及各种复合氧化物都进行了大量的研究和分析。在结构上也发生了很大的变化，不再只是直热式烧结型元件，旁热式管状气敏元件成为主流产品，微球状的直热式产品也有了，特别是长春应化所开发的振荡型常温CO元件尤为突出。产品的质量水平随着对材料的深入研究和结构的改善有了较大的提高。灵敏度不是问题，有一定

10、选择性的元件也出现，元件的稳定性有了很大的提高，元件的寿命可以达到3年以上。产量也大大地提高，估计86年以前的总产量不超过10万只，86一年的产量也不少于10万只，87年的产量已超过了30万只。92年的产量超过300万只。在应用方面除了检漏仪外，换气扇、油烟机控制和可燃气体报警器是半导体气敏元件的主要用途。由于气敏元件的生产技术基本成熟，而其产量也已达几百万，气敏生产的厂家已有10多家，气敏行业的规范也就势在必行。由电子部四所牵头，会同国内的有关研究所和大专院校，以及国内的生产厂家，在92年开始制定金属氧化物气敏元件的行业规范，即（金属氧化物半导体气敏元件总规范SJ 20025-92）（金属氧

11、化物半导体气敏元件测试方法SJ 20026-92）。这两个标准都是电子行业的军用标准，级别还是很高的。其中（金属氧化物半导体气敏元件总规范SJ 20025-92）由哈尔滨通江晶体管厂起草，（金属氧化物半导体气敏元件测试方法SJ 20026-92）由电子部4322厂（春光器材厂）起草。在1995年上述两个标准分别上升为国家标准，即（金属氧化物半导体气敏元件总规范GB15652-1995）（金属氧化物半导体气敏元件测试方法GB15653-1995）。同时电子部委托云南电子产品试验站，依据行业标准和国外同类产品的指标，对全国的半导体气敏元件进行抽样检查和质量评定。参加抽样评定的厂家有，春光厂，太原电

12、子厂，哈尔滨通江，北京电子管厂，郑州晶体管厂等五家生产。几家厂的产品的质量水平都不高，即便是评为一等品的产品，其变化率也是很多高，都超过了50%，。主要是长期寿命实验后零点（V0）变化大，有的厂家的产品经过1000小时就失效了。还有就是机械强度差，振动冲击影响大。反映出元件的稳定性差，就是现阶段气敏元件的稳定性也是国内元件的主要问题。这次抽样检测对我国的气敏元件的发展和提高起到了很好的促进作用。油烟机促进我国气敏的发展功不可灭。值得一提的是85年以后我国的经济形势迅速发展，推动家用电器的发展，特别是厨房电器的广泛应用，促进了半导体气敏元件的发展。大量的换气扇油烟机进入家庭，气敏元件得到了更广泛

13、的应用。日本松下自动油烟机在广州出现，广州的万宝电器也生产油烟机。松下的自动油烟机采用日本费加罗的气敏元件，价格贵。于是就在国内寻找气敏元件，刚开始万宝电器找到哈尔滨通江晶体管厂，通江厂以10元/只（实际是多少不知道）的价格卖给万宝和高宝电器。87高宝电器发函春光厂要气敏元件样品，春光厂给对方发去10只样品，很快高宝电器派技术员来工厂考察并签订供货的技术协议，以8.5元一只的价格成交，达成2万的成交合同。并且以这个价格签订了88年20万的MQ211型气敏元件的合同，当时的春光厂的心情真像天上掉了一个大馅饼，全厂都为之欢呼。在这之后，由于油烟机和换气扇大量使用气敏元件，气敏元件的产量逐年增多，到

14、90年气敏的产量已超过100万只。到92年春光厂的年产量已经超过200万只。全国的产量估计超过500万只。产量在100万以上的厂家有昆明春光器材厂，太原电子厂和贵所扶持的五华传感器厂和深圳百联。但随之而来气敏的价格战也越来愈厉害。由87年的10元降到8.5元，再降到5.6元，4.5元，到95年尽降到2元左右。此价格一直到2006年都没有缓过劲来。虽然有很多专家认为气敏元件用在油烟机上有看法，并且反对油烟机上安装气敏报警装置。但是油烟机大量使用气敏元件，促进我国半导体气敏元件发展起了不可磨灭的作用是不可否认的事实。进入90年代中期气敏产业迅速的发展，但是竞争也更加激烈。气敏企业开始分化和膨胀。一

15、下出现了很多竞争的对手。在哈尔滨除了通江厂外就出来三个新的气敏厂，昆明也一下出来三家新的气敏厂，全国一下就多了近10家气敏厂。市场竞争就更加的激烈。然而市场不但没有增加，反而由于自动型油烟机的升级换代气敏用量在下降。可燃性气体报警器虽然有了一定的市场，由于国内的经济还没有很大的发展，也用量不大。在97-2002年气敏的产量下滑明显。这时有的气敏厂家逐渐的退出市场。这时气敏研究的单位也迅速的减少，气敏研究的文章也很少。加之国有企业的体制改革，气敏企业发生了很大的变化，这一时期真正还在生产气敏的厂家也就只剩下4家了。随着国有企业的体制改革的深入，通江厂，春光厂，太原电子厂，郑州晶体管厂，北京电子管

16、厂也纷纷改制或破产了。气敏产业跌入低谷。不会永远是冬天，冬天过去就是明媚的春天。随着经济的发展，安全意识的提高，各种法律法规的健全，以及城市化进程的逐步推进，房地产的加快发展，给气体传感器的应用打开了局面。让气体传感器回归到了他本来的应用位置。由简单的换气扇，油烟机应用发展到各种安全设施上。气敏产业有进入高速发展的时代。通过从新洗牌，能规模化生产的气敏生产厂家现在仅有两家，其产量占90%以上。根据我国的发展趋势，气敏今后还有很大的发展空间，这是一个很好的机会。 天津费加罗引进日本气敏。随着国内气敏元件的发展和进步，逐步打破了半导体气敏元件被日本费加罗（FIGARO）在世界的垄断地位，给日本费加

17、罗造成一定的压力。日本费加罗在80年代根本不愿意与国内合作，更谈不上合资办厂。但是看见国内的半导体气敏发展如此迅速，且已经形成较大规模的产量（90年已超过300万只），日本费加罗为了巩固其在世界的垄断地位，阻止中国气敏迅速向国际进军。国内市场由于价格问题不是日本费加罗的主要目标。80年代末期积极地加快了在国内寻求合作的伙伴。为了在技术上的垄断，费加罗当然不会与国内气敏同行合作，一定是要找一个对气敏基本不了解的，但还要有一定的电子基础的厂家，通过国内的技术买办搭桥，找到了天津无线电元件六厂。于90年初日本费加罗与天津元件六厂合资组建了天津费加罗。天津费加罗就是一个日本费加罗在国内的一个代工厂，最

18、初就是为日本代工生产费加罗的早期产品，如TGS813，后来才逐步加工较新的一些产品，至今都还是一个加工厂，没有研发的能力，也没有研发机构，研发的机构还是在日本的本部。就半导体气敏元件的性能来说，日本费加罗的产品无论是性能还是工艺都还是领先的。产品性能主要表现在稳定性好，工艺性能先进，产品的外观和内部结构都显示了其先进的技术水平。其产品在国际上仍然占据垄断的地位。费加罗的气敏产品结构变化。日本费加罗的气敏产品在60年代末开发成功，主要是直热式烧结型产品，代表型号是TGS109，四引线结构，以及后来的TGS203一氧化碳元件；到70年代末80年代初是旁热式管状气敏元件，金属网帽，后来出现树脂管壳，

19、6引线结构，产品的品种有十多个。典型产品为TGS812、TGS813；到90年中期出现厚膜片式元件，初期的功耗有所下降，如TGS511。后来的元件功耗下降较大，采用TO-5的封装形式。典型产品TGS2611、TGS2602功耗仅有200多毫瓦，为旁热式管状气敏元件的三分之一左右，加上旁热式管状气敏产品多达20多种；2000年后在结构上没有大的变化，但是在品种上有一些发展和改进。如片式固体电解质的二氧化碳元件（CO2）TGS4161,双气体传感器TGS2201等等。除了半导体气敏外，还开发了电化学气敏元件，也许正在开发薄膜型气敏元件。在市场方面，由于价格差异较大，费加罗的产品在中国占有率不是很大

20、，但都是占有高端的市场，几乎所有的高端市场都被费加罗占有。我国的产品价格无论是直热式元件还是旁热式管状元件的价格都不高，平均在3.5元左右，片式元件在6元左右，而费加罗的产品基本上都在30元左右，视订货量有一定的价格优惠。我国半导体气敏元件产品的结构现状：直热式烧结型气敏元件自70年代初开始制作到现在，工艺和结构都有很大的变化，现在主要是微球状直热式元件，主要的产品是用于酒精的检测，制作简易的低价格的酒精检测器，作圣诞节的礼品之用，在2006年前后的量很大，现在逐年减少；微球状的自加热元件，该元件应该说是我国发明的，即所谓的常温元件，在2007年以前热了好几年，人们误认为是常温元件被有的厂家热

21、捧过，但是该元件由于其结构自身的致命弱点可靠性、稳定差而逐渐被市场所淘汰；旁热式管状气敏仍然是我国气敏的主流产品，其应用涵盖所有的检测气体，大量用于可燃性气体的检测，其产量已超过800万。与费加罗的TGS813是同类产品，主要用于各种可燃性气体的检测和报警。性能与费加罗处于同一水平，在稳定性方面还有一定的差距；旁热式片式气敏元件的基本性能与费加罗基本在一个水平，但是在稳定仍然有差距，特别是工艺水平的差距较大，还有较长的路要走才能赶上日本。其产量已超过200万只。片式气敏将是我国今后几年努力发展的方向，因为片式元件最大的优点是功耗低，体积小。怎样实现气敏元件的片式化，微型化是我国气敏发展的艰难任

22、务。难在没有为之配套的工艺设备；薄膜气敏元件我国有关的企业和研究单位已关注多年，也做了很多的研究和实验，但是还没有实质性的突破。这将是我国气敏今后发展和努力的方向。我国半导体气敏元件自70年代初发展到现在，已有40个年头，取得了很大的发展。就旁热式气敏元件的基本性能与国外的同类产品处于同一水平上。但是稳定性、可靠性、一致性在实际应用中还有一定差距。主要是由于我们的基础研究还很不深入，对气敏材料缺乏更深的理解。使得我们的气敏元件的稳定性不够好，对新产品的研发缺乏足够的理论基础支持。要想解决这一问题，气敏专业厂自身要多下功夫，靠大专院校和研究所是不可能有实质性的效果。一是大专院校只是理论性的研究，

23、也许理论性的研究都不是，就是一些现象的研究，根本就不是气敏机理，材料本身的研究。从过去大量的文章可以看出。因为他们根本就不清楚要研究些什么，什么研究对气敏制造有什么用对他们没有意义。他们关心的是文章是否有创新，至于这个创新有什么意义和价值他们不管。所以气敏专业厂一定要下功夫不停地对现有的产品和材料进行不间断的研究和提高。不单是要不停的推出新的产品，还要不间断的对材料和工艺进行深入的研究和创新，不断的提高产品的性能；加之我们制造工艺落后，我们的产品的可靠性、一致性、互换性差，给应用带来困难；由于没有相应的配套工艺设备一直阻碍气敏生产的发展，使得成本高，效率低，缺乏国际的竞争能力。在这里需要特别指出的是我们的工艺技术水平还相当的落后，半导体气敏元件的制作基本上还是全手工。尤其是直热式和旁热式管状气敏元件。其材料制备研磨，电极的绕制，管状气敏的电极，引线粘接，敏感膜的制作，封装等等都是手工完成。不仅是效率问题，主要表现在产品的一致性、可靠性差。日本的直热式和管状元件基本上实现了单机自动化，其中微球状的直热式元件基本上实现了全自动化。日本的片式元件基本上也是单机自动化。