实验8材料的气敏性能测试（草案）一。实验导读1.气敏材料概论在工业生产、科学研究和日常生活中，经常需要对易燃易爆、有毒有害的气体进行检测和监控。检测气体的方法有很多，但使用最方便、设备结构简单、灵敏度高且价格便宜的是气敏陶瓷材料及其薄膜元件。半导体材料表面的气敏效应早在20世纪30年代就被发现了。1931年布劳尔（P.Brauer）就发现了Cu2O的电导率随吸附水而改变的现象，其后相继发现ZnO、Fe2O3、MgO、SnO2、NiO、Cr2O3、TiO2、BaTiO3、Nb20s等都有气敏现象。1962年以后日本、美国等国家开始了半导体气敏元件实用化的研究，日本清山哲良等人利用ZnO、SnO等半导体薄膜在气体的吸附和解析时所引起的电阻值变化，对各种气体的灵敏度进行了测定，发现以ZnO、SnO2的气密性最好，并研制成功ZnO薄膜气敏元件。1964年美国成功研制SnO2气敏元件，1967年美国谢弗（P.J.Shaver）等人利用Pt、Pd等贵金属作催化剂制造了活化金属氧化物气敏元件。1968年日本弗加罗公司的田口尚义（Taguchi）研制成功SnO2陶瓷气敏元件并投放市场，称为田口气敏元件（TaguchiGasSensor），简称TGS。1978年研制成功-Fe2O气敏元件，1981年研制成功α-Fe2O，气敏元件，它们都不需要使用贵金属作催化剂，因而大大降低了成本，而且性能稳定。近年来，由于纳米材料的研究取得了很大的发展，使得气敏元件也有了进步，工作温
实验 8 材料的气敏性能测试（草案） 一． 实验导读 1. 气敏材料概论 在工业生产、科学研究和日常生活中，经常需要对易燃易爆、 有毒有害的气体进行检测和监控。检测气体的方法有很多，但使用最 方便、设备结构简单、灵敏度高且价格便宜的是气敏陶瓷材料及其薄 膜元件。 半导体材料表面的气敏效应早在 20 世纪 30 年代就被发现了。 1931 年布劳尔（P. Brauer）就发现了 Cu2O 的电导率随吸附水而改变 的现象，其后相继发现 ZnO、Fe2O3、MgO、SnO2、NiO、Cr2O3、TiO2、 BaTiO3、Nb2O5等都有气敏现象。1962 年以后日本、美国等国家开始 了半导体气敏元件实用化的研究，日本清山哲良等人利用 ZnO、SnO2 等半导体薄膜在气体的吸附和解析时所引起的电阻值变化，对各种气 体的灵敏度进行了测定，发现以 ZnO、SnO2的气密性最好，并研制成 功 ZnO 薄膜气敏元件。1964 年美国成功研制 SnO2 气敏元件，1967 年美国谢弗（P.J.Shaver）等人利用 Pt、Pd 等贵金属作催化剂制造了 活化金属氧化物气敏元件。1968 年日本弗加罗公司的田口尚义 （Taguchi）研制成功 SnO2陶瓷气敏元件并投放市场，称为田口气敏 元件（Taguchi Gas Sensor），简称 TGS。1978 年研制成功 γ- Fe2O3气 敏元件，1981 年研制成功 α- Fe2O3气敏元件，它们都不需要使用贵金 属作催化剂，因而大大降低了成本，而且性能稳定。近年来，由于纳 米材料的研究取得了很大的发展，使得气敏元件也有了进步，工作温
度进一步降低，灵敏度大大提高。气敏陶瓷材料是一种对某种环境中某种气体十分敏感的材料，通常都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量比的改变而使其半导化。气敏材料的电阻将随其所处环境的气氛而变，不同类型的陶瓷材料，将对某一类或某几种气体特别敏感。检测灵敏度通常为百万分之一的量级，个别甚至可达十亿分之一的量级。远远超过动物的嗅觉感知度，有“电子鼻”之称。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。气敏传感器元件的应用有：1.检漏仪或称探测仪2.报警器3.自动控制仪器4.测试仪器等等。气敏传感器可用来测量气体的类别、浓度、成分。半导体陶瓷的气敏特性，大多通过待测气体在陶瓷表面的附着，发生某种化学反应(如氧化、还原反应)、于表面产生电子的交换（俘获或释放电子）等作用来实现。这种气敏现象称之为表面过程。尽管表面过程在不同的陶瓷及不同的气氛中作用不尽相同，但大多与陶瓷表面氧原子(离子)的活性(结合能)的情况密切相关。陶瓷的气敏特性与气体的吸附作用和催化剂的催化作用有关。气敏陶瓷对气体的吸附分为物理吸附和化学吸附两种。在一般情况下，物理吸附和化学吸附是同时存在的。在常温下物理吸附是吸附的主要形式。随着温度的升高，化学吸附增加，到某一温度达最大值。超过最大值后，气体解吸的几率增加，物理吸附和化学吸附同时减少
度进一步降低，灵敏度大大提高。 气敏陶瓷材料是一种对某种环境中某种气体十分敏感的材料， 通常都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量比的改变而使其 半导化。气敏材料的电阻将随其所处环境的气氛而变，不同类型的陶 瓷材料，将对某一类或某几种气体特别敏感。检测灵敏度通常为百万 分之一的量级，个别甚至可达十亿分之一的量级。远远超过动物的嗅 觉感知度，有“电子鼻”之称。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。 气敏传感器元件的应用有：1.检漏仪或称探测仪 2.报警器 3.自 动控制仪器 4.测试仪器等等。气敏传感器可用来测量气体的类别、浓 度、成分。 半导体陶瓷的气敏特性，大多通过待测气体在陶瓷表面的附 着，发生某种化学反应(如氧化、还原反应)、于表面产生电子的交 换(俘获或释放电子)等作用来实现。这种气敏现象称之为表面过 程。尽管表面过程在不同的陶瓷及不同的气氛中作用不尽相同，但 大多与陶瓷表面氧原子(离子)的活性(结合能)的情况密切相关。 陶瓷的气敏特性与气体的吸附作用和催化剂的催化作用有关。 气敏陶瓷对气体的吸附分为物理吸附和化学吸附两种。在一般情况 下，物理吸附和化学吸附是同时存在的。在常温下物理吸附是吸附 的主要形式。随着温度的升高，化学吸附增加，到某一温度达最大 值。超过最大值后，气体解吸的几率增加，物理吸附和化学吸附同 时减少
2.气敏材料的种类气敏元件的形式有多种，广泛使用的是半导体式和接触燃烧式。半导体与某种气体接触，其电阻或功函数就发生变化，利用此种性质来检测特定气体的元件即为半导体式气敏元件，大致可分为电阻式和非电阻式。电阻式敏感元件一接触气体电阻就发生变化，而这种变化是由表面或体的性质的变化引起的。这类敏感元件以SnO系材料为中心正迅速得到普及，其结构有烧结型、厚膜型、薄膜型。作为非电阻式有MOSFET、金属-半导体接触二极管、MOS二极管等。气敏陶瓷材料可分为半导体式和固体电解质式两大类。其中半导体气敏陶瓷又分为表面效应和体效应两种类型。利用半导体陶瓷元件进行气体检测时，气体在半导体上的吸附和脱吸必须迅速，而工作温度至少在100℃以上气体在半导体上才会有足够大的吸脱速度，因此，元件需要在较高温度下长期暴露在氧化性或还原性气氛中工作。所以，气敏陶瓷材料多为氧化物半导体，具有物理和化学稳定性。气敏半导体陶瓷中，由于表面吸附的气体分子和半导体粒子之间电子交换，在一定温度下电阻率随环境气体类型而电阻发生改变。ZnO气敏元件和SnO2气敏元件是目前世界上产量大而且应用面广的气敏元件。氧化铁系半导体气敏元件是20世纪80年代开
2.气敏材料的种类 气敏元件的形式有多种，广泛使用的是半导体式和接触燃烧 式。半导体与某种气体接触，其电阻或功函数就发生变化，利用 此种性质来检测特定气体的元件即为半导体式气敏元件，大致可 分为电阻式和非电阻式。电阻式敏感元件一接触气体电阻就发生 变化，而这种变化是由表面或体的性质的变化引起的。这类敏感 元件以SnO2系材料为中心正迅速得到普及，其结构有烧结型、厚 膜型、薄膜型。作为非电阻式有MOSFET、金属-半导体接触二极 管、MOS二极管等。 气敏陶瓷材料可分为半导体式和固体电解质式两大类。其中 半导体气敏陶瓷又分为表面效应和体效应两种类型。利用半导体 陶瓷元件进行气体检测时，气体在半导体上的吸附和脱吸必须迅 速，而工作温度至少在100℃以上气体在半导体上才会有足够大 的吸脱速度，因此，元件需要在较高温度下长期暴露在氧化性或 还原性气氛中工作。所以，气敏陶瓷材料多为氧化物半导体，具 有物理和化学稳定性。 气敏半导体陶瓷中，由于表面吸附的气体分子和半导体粒子 之间电子交换，在一定温度下电阻率随环境气体类型而电阻发生 改变。 Zn0气敏元件和SnO2气敏元件是目前世界上产量大而且应用 面广的气敏元件。氧化铁系半导体气敏元件是20世纪80年代开
发的新型气敏元件，价格低廉，不需要添加贵金属添加剂就可制出灵敏度较高、稳定性好且具有一定选择性的气敏传感器。3.SnO2系气敏元件二,实验提要1.实验目的a.掌握纳米材料液相制备技术制备纳米氧化锡粉体b.掌握纳米材料改性方法，制备掺杂的纳米氧化锡复合材料c.掌握气敏功能材料主要性能参数测试方法，测定金属离子掺杂的纳米氧化锡烧结气敏元件对有机气体的气敏特性2.半导体气敏传感器的原理当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。具有负离子吸附倾向的气体，如O2和NON，等被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有止离子吸附倾向的气体有H2、CO,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体
发的新型气敏元件，价格低廉，不需要添加贵金属添加剂就可 制出灵敏度较高、稳定性好且具有一定选择性的气敏传感器。 3. SnO2系气敏元件 二.实验提要 1.实验目的 a．掌握纳米材料液相制备技术制备纳米氧化锡粉体 b．掌握纳米材料改性方法，制备掺杂的纳米氧化锡复合材料 c．掌握气敏功能材料主要性能参数测试方法，测定金属离子掺杂的 纳米氧化锡烧结气敏元件对有机气体的气敏特性。 2. 半导体气敏传感器的原理 当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被 吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分 子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半 导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则吸附分子将从器件 夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。具有负离子 吸附倾向的气体，如 O2 和 NON,等被称为氧化型气体或电子接收型 气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则吸附分子将 向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气 体有 H2、CO,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给 型气体
半导体气敏元件有N型和P型之分。N型材料有SnO2、ZnO、TiO型等，P材料有MoO2、CrO3等。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气将使半导体载流子减少，而使电阻值增大；相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。例如：SnO2金属氧化物半导体气敏元件，在200-300度时吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其阻值增加。而当遇到有能供给电子的还原型气体（如CO等)时，原来吸附的氧脱附，而以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面，氧脱附放出电子，还原型气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。当还原型气体不存在时，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值回升到初始状态。空气中的氧的成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。气敏元件在工作时都需要加热，其目的是加速气体吸附、脱出的过程，提高器件的灵敏度和反应速度；烧去附着在探测部分的油雾、尘埃等污物，起清洁作用；控制不同的加热温度，可以增强对被测气体的选择性，在实际工作时一般要加热到200-400度
半导体气敏元件有 N 型和 P 型之分。N 型材料有 SnO2、 ZnO、TiO 型等，P 材料有 MoO2、CrO3 等。当氧化型气体吸附到 N 型半导体上，还原型气将使半导体载流子减少，而使电阻值增大; 相反，当还原型气体吸附到 N 型半导体上，氧化型气体吸附到 P 型 半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。例如: SnO2金 属氧化物半导体气敏元件，在 200-300 度时吸附空气中的氧，形成 氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其阻值增 加。而当遇到有能供给电子的还原型气体（如 CO 等)时，原来吸附 的氧脱附，而以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面，氧脱附 放出电子，还原型气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧 化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。当还原型气体不存在 时，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值回 升到初始状态。 空气中的氧的成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定 的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛 中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化， 从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。 气敏元件在工作时都需要加热，其目的是加速气体吸附、脱出 的过程，提高器件的灵敏度和反应速度;烧去附着在探测部分的油 雾、尘埃等污物，起清洁作用;控制不同的加热温度，可以增强对被 测气体的选择性，在实际工作时一般要加热到 200-400 度