【《气敏传感器的发展探究文献综述》5000字】

气敏传感器的发展研究文献综述尽管科学技术的飞速进步和经济的快速发展，不可避免地给现代人的工业生产和其他日常生活带来了无限的便利和舒适，我们无休止的探索和不断寻求对自然环境的认识，必然会对我们的自然环境造成巨大的环境破坏。工业生产的使用过程中所排放产生的对我们人体健康有毒、易燃易爆有害气体不仅有时会严重污染生态环境,破坏了我们赖以生存的一个自然生态家园,并且危害人的生命安全。运输运输交通给我们在带来舒适生活的同时也会产生巨大的汽车尾气污染,而气敏传感器则是作为这些污染物的主要监测方法手段,就是将汽车中气体的浓度,种类以及其他一系列的环境信息都转化成了电信号,并通过传输到计算机上，在计算机上面进行大量的数据分析从而获得更多便于人们了解的数字化形式。从而促使人类能够对环境中的各种气体组成物质在可能会出现的温度偏离情况进行了预测和实时的监控,在形成重大事故时能及时作出反应和预测从而减少事故的发生。传感器是指能把物理、化学、生物等变量转化为无线电信号的一种器件。传感器可用不同的方式输出的通讯信号码，从而适应其不同的要求,比如说电压、电流，再如频率、脉冲等,这些信号都可满足对信息的传输、处理、记录、显示、控制等要求,它们是自动化检测设备和自动化控制系统中必须配备的元件。传感器技术作为目前的新发展的许多信息技术当中的一个,它包括了很多功能，主要是信息数据采集、信息传递、信息处理。国外许多发达国家均把传感器技术作为现代化高技术进步的关键。20世纪80年代以来，作为传感器发展强国的日本将这些传感器技术作为其发展的重点。日经工业将这些传感器列为未来中10年最值得关注与期待的技术。许多其他国家也将这些传感器技术当做国家科技和国防科技进步的重点。截止1999年底，全球传感器市场已达87亿美元，这个数据和1998年相比，有一个明显的增长，增长了8.5%。虽然我国的传感器产业早在上世纪50年代初就起步了，但直到1986年7月5日传感器技术才正式列入国家重点研究项目，投入了机械感、力感、气感、湿感、生物感等5种敏感药物。在历经十多年的发展之后，气敏传感器行业形成了一定数量和规模的产业格局特征。1.2.1气敏传感器的研究进展1931年，布劳尔ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>251</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>251</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xdrzvdra5vrp2ne5vsbv9pauzv0fst0ftdas"timestamp="1584166122">251</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title><半导体复合氧化物气敏材料研究进展_牛新书.pdf></title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]通过实验研究发现了cu2o的气敏效应,，Cu2O的气敏特性会随着水蒸气的浓度改变而改变，此次发现对材料气敏性能来说，犹如打开了新世界的大门。许多学者，研究人员通过不懈的努力，他们进一步的探索和研究使气敏传感器越来越多的优良性能被我们发现,直到1962年,一个相对稳定的气敏薄膜材料ZnO被成功地制备为气敏元件,这一技术的研究成果打开了气敏传感器在行业中发展的实践篇章ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>251</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>251</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xdrzvdra5vrp2ne5vsbv9pauzv0fst0ftdas"timestamp="1584166122">251</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title><半导体复合氧化物气敏材料研究进展_牛新书.pdf></title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3]。在1977年，Gauthier等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>251</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>251</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xdrzvdra5vrp2ne5vsbv9pauzv0fst0ftdas"timestamp="1584166122">251</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title><半导体复合氧化物气敏材料研究进展_牛新书.pdf></title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]人成功做出了CO2气敏传感器,这一重要的发现也改变了人们对CO2的检测方式，之后通过不断地研究和实际应用的结合。在1990年，日本的Saito等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>251</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>251</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xdrzvdra5vrp2ne5vsbv9pauzv0fst0ftdas"timestamp="1584166122">251</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title><半导体复合氧化物气敏材料研究进展_牛新书.pdf></title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5]人使用Na超导材料大大提高了元件的气敏特性。再到2007年，Schedin等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>251</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>251</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xdrzvdra5vrp2ne5vsbv9pauzv0fst0ftdas"timestamp="1584166122">251</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title><半导体复合氧化物气敏材料研究进展_牛新书.pdf></title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]研究人员以石墨烯为基底制备材料检测气体分子。2013年，HOA等人制备了一种气敏传感器，这种传感器是通过使用氧化石墨烯/氧化镍纳米复合材料的气体传感器，该传感器对1ppmNO2气体的的灵敏度响应有非常敏感的反应。自此，在气敏传感材料行业的研究上，石墨烯，碳管，氧化石墨烯等这类新型材料的研究成为了热门。气体传感器能有如此迅速的发展，主要原因是由于人们在安全方面意识的增强，这也表明人们在对环境安全和生活舒适性的要求不断提高；另一方面，由于中国传感器行业市场需求的不断增长，以及政府安全立法的推动。因此，国外民用气体测量传感器的生产技术在我国逐步取得了快速的进步和发展。根据美国相关国家研究机构专业统计人员的年度预测，1996年至2002年，美国国内气体测量传感器的年平均增长率为（27~30）%。目前，气体质量传感器的发展趋势主要表现在以下几个方面：其主要特点之一是大大提高了装置的灵敏度和控制性能，降低了装置的功耗和制造成本，减小了装置的体积，简化了控制电路，并与广泛应用的电子控制技术紧密结合，这也是我国气体质量传感器的发展目标。如日本、美国等地Figaro公司推出的低温探测（0.1~10）×10-6硫化氢低温高功耗新型气体质量传感器，是美国ist公司提供的一种使用寿命远超过10年的新型气体质量传感器，以及日本Firebolt公司和美国等地引进的用于生化模拟（包括光化学型和反应型）的低温高功耗OCO型气体质量传感器。第二十三条五是进一步提高系统工作可靠性，实现电子元器件及相关应用集成电路的系统集成和多功能，发展MEMS技术，满足开发现场的特殊要求，适用于广泛应用于智能变频输送机和智能压力传感器。例如，美国通用传感器公司将自动气体传感器的所有功能嵌入到微处理器中，自动气体传感器可以具有实时自动控制故障标定、自动实时监测和检测故障发生等多种功能，从而实现气体传感器的安全性和智能化；此外，我们以前也广泛参与和提到过。例如，美国ist公司自主研发的带有两个微处理器的“megagas”传感器，可以实现更安全、更智能、更多功能。气敏传感器既能够通过定性和稳态地测量环境中各种气体的类型及其含量,也能够将环境中各种气体含量变化转换成其具有相同对应的电信号并存在的设备或器件中进行输出。随着研究人员的增加和研究时间的累积，对气敏传感器的开发与研制越发的规范化。现在的研究者们，对于传感器的性能判断主要是通过响应时间，灵敏度，选择性，稳定性四个方面的气敏特征参数进行比较分析。（1）灵敏度，灵敏度是检测一种气敏元件电阻随气体浓度变化的一个重要特征参数。气敏元件的灵敏度不仅与气敏材料本身的物理化学性质有关，而且在很大程度上与被测气体的浓度有着可变的关系，这也是确定气体总类型和浓度的重要依据。大多数研究者都对半导体型气敏传感器的固定灵敏度进行了定义,是通过将传感器的固定电阻值ra与其他测量气体环境中的传感器变化电阻值rg的一个比值进行定义的,具体见公式（1.1），（1.2）：S（n型半导体，灵敏度）=Ra/Rg（1.1）S（p型半导体，灵敏度）=Rg/Ra（1.2）其中两种公式的主要区别是基于半导体气敏传感器在电流传导的过程中主载流子的不同而区分按照主载电流子的大小不同,半导体的材料大致可以被划分为p型和n-形两种不同类型的半导体ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><RecNum>172</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>172</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xdrzvdra5vrp2ne5vsbv9pauzv0fst0ftdas"timestamp="1536217723">172</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title><掺杂Fe_2O_3对ZnO多孔纳米固体厚膜气敏传感器性能的影响_徐红燕.pdf></title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]。n型的半导体,在一个材料内部接触到大量的空气时,价带的电子就会跃动到导带,吸附在这个材料上的氧气和导电中的一个电子结合形成氧负离子从而占据这个材料的外观和表面;当室内环境中产生了还原性的气体时,还原性的气体也可能会直接吸附在材料的表面,与介于材料表面的氧负离子之间发生一定的化学反应,材料的表面将可能会产生一定量的气体反应从而失去一部分的电子,这部分的电子可能会转移到介质的导带中,因此引起电阻减小,从而造成电流的增加;相反当气氛中含有一种氧化性的气体时,吸附在传感器材料表面的一种氧化性气体就会夺去传感器材料内部中的一个电子,这样就会使得电导率下降,表现出电流降低。而p型半导体的导电载流子是空穴导电，所以其结果会与n型半导体完全相反。（2）响应时间，响应时间的含义是在一定温度下气敏传感器对特定气体浓度的反应时间的快慢。通常来说，研究人员对响应时间的定义是，在一个确定的温度下，研究人员向气敏传感器所在的环境中，通入待测气体，之后把气敏传感器的表面电阻开始变化的时间作为计时的开始，当传感器的电阻的变化达到|Rg-Ra|*90%，也就是灵敏度峰值的90%时结束计时，这个时间段就是这个传感器的响应时间，记为t。（3）气敏传感器的重复性,一个气敏传感器在历经一定量时间的放置或者长期使用之后,对与待检测的同浓度特殊气体，再此进行浓度测量时所需要测量结果偏差程度,即就是气敏传感器在使用中所具有的稳定和可靠性。重复性作为目前衡量气敏材料性能的主要测量指标之一,同时也将成为未来气敏传感器的使用寿命判断尺度。（4）气敏选择性,选择性指的是气敏传感器当在面对相同浓度的多种气体时,能对单一气体相较于其他气体有明显的电阻变化。气敏传感器大多是工作在复杂的气体环境中,但往往被传感器所要求的是监控一种气体的浓度,这样其他的气体对传感器的特定性能会产生干扰,这时就必然需要传感器能够对特定的气体具有绝对高的检测灵敏度。为了能够保证传感器在气敏方面具有更高的可靠性和选择率,一般都会要求气敏传感器在特殊情况下使用的灵敏度远远超过其他气体的灵敏度倍数。近年来，二元MOS型气敏材料在实际应用的过程中，暴露出来的问题主要有：元件的稳定性差气敏元件的电阻还有它的灵敏度会由于使用时间的增加而不断变化,这种变化是较大的,给检验结果的可靠性造成了一些不稳定的影响。元件电阻值分散性大由于生产过程中各种环境因素的影响和影响，如原料的质量和纯度、配料的准确性、成型的一致性、烧结温度、时效处理方法和人员操作等，各种气体组分的电阻值分散性大，互相交换的性能差，不能完全满足高精度检测的要求，也将直接影响各种气体组分的稳定性和可靠性。选择性差由于在直接进行气敏检测各种气体时,往往还可能会直接遇到其他具有干扰性的气体(有时例如苯和烟酒等),使其与气敏检测元件之间直接发生了各种交叉振动反射和相互响应,产生检测错误。“异常敏化”问题作为贵金属气敏敏化剂常用的少量SnO2系列气敏自动传感器，经过了一段时间的测试。使用后，RA、RG浓度明显降低，气敏度提高，使本系统气敏自动报警异常灵敏，对于浓度低于设定值的低可燃气体或惰性气体，高浓度往往会及时产生自动报警，导致误报。而其他不同类型的传感器在空气敏感度上往往会出现这样的不良现象。催化剂中毒如果某些掺有化学催化剂的某些气敏电子元件在人体接触某些小的放射性有害气体后,活性剂的成份或者组分被气体吸收或者受到毒化,将可能会直接影响改变该气敏元件的化学选择性,降低它们的化学灵敏度和化学稳定性,另外催化活性本身可能还是一个可能存在不稳定的技术问题。使用寿命短一些元件在实际应用中的寿命可能只有不到一年甚至仅仅只有几个月,这与人们最初设计气敏传感器的初衷严重不符，这就会直接影响气敏传感器元件的研制和推广。灵敏度问题SnO2和Fe2O3系列气敏传感器元件有时因为其灵敏性太高而导致了误报,但是当我们在检查某些较低浓度的气体时,它们的灵敏性却难以满足要求。研究表明，ZnSnO3的气敏性能优于其单一氧化物组分ZnO和SnO2。因而具有更高的研究价值。近年来，已成功用不同的合成方法合成了各种形貌的ZnSnO3纳米结构。例如，Bing等[8]用无模板的简单水热法制备出由小纳米棒组装成的层状结构ZnSnO3空心微球，其对乙醇有较好的传感性能，且响应时间为0.9s和1.2s。曾[9]等人用HMT(六亚甲基四胺)辅助水热法合成分级ZnSnO3纳米颗粒，这种气敏颗粒对甲醛现出良好的气敏性能，对乙醇也有很好的气敏性能。Zhang等[10]使用自模板法制备空心ZnSnO3多面体结构以及空心ZnSnO3多面体。在320℃时，对乙醇的气体响应高达49.5~100ppm。Singh[11]等用溶胶-凝胶自旋包覆法合成分级花状ZnSnO3结构，其对液化石油气的气体响应高达143ppm。然而，很少有关于合成具有分级和多孔结构的ZnSnO3立方体的报道，也很少报告用作气体传感材料的ZnSnO3立方体。Lin等[12]用一种简单的湿化学法制备了纳米二氧化锡/石墨烯复合材料，所得纳米二氧化锡/石墨烯复合材料(电导率变化率为94.3%)在210℃下，对浓度为100ppb的苯呈现出高的气体响应。而纯的SnO2纳米粒子在ppb浓度下的苯响应可忽略不计。Chen[13]等研究了rGO浓度对rGO-Co3O4传感器对NO2和甲醇的影响，发现通过添加5wt%的rGO可显著改善Co3O4传感器的气体响应。Achary等[14]通过燃烧法合成了rGO-CuFe2O4纳米复合材料，基于rGO-CuFe2O4的传感器对NH3具有较高的灵敏度、选择性和快速响应-恢复时间(3s，6s)。因此，与ZnSnO3的rGO结合应该是提高气敏性能的有效方法。对于rGO和CNTs掺杂到ZnSnO3中，以达到改性的目的，还尚未进行报道。参考文献牛新书,杜卫平,蒋凯.半导体复合氧化物气敏材料研究进展[J].化学研究与应用,2004(06):737-740.Seiyama,T.;Kato,A.;Fujiishi,K.;etal.Anewdetectorforgaseouscomponentsusingsemiconductivethinfilms.Anal.Chem.1962,34,1502–1503.周超,陈思浩,楼建中,等.石墨烯在传感器中的应用研究进展[J].材料导报,2014,28(S1):15-20.AverbackR.S.,HöflerH.J.,TaoR..Processingofnano-grainedmaterials[J].AverbackR.S.;HöflerH.J.;TaoR.,1993,166(1-2)..S.Saito,M.Miyayama,K.Kuomoto,etal,GassensingcharacteristicsofporousZnOandPt/ZnOceramics,J.Am.Ceram.Soc.68(1985)40–43.F.Schedin,A.K.Geim,S.V.Morozov,etal,Detectionofindividualgasmoleculesadsorbedongraphene,NatMater,6(2007)652-655.徐红燕,王介强,胥海洲,等.掺杂Fe2O3对ZnO多孔纳米固体厚膜气敏传感器性能的影响[J].功能材料与器件学报,2008,14(06):977-982.BingYF,ZengY,LiuC,QiaoL,SuiYM,ZouB,etal.SensActuatorsBChem2014;190:370.ZengY,ZhangT,FanHT,FuWY,LuGY,SuiYM,