金屬氧化物甲醛氣敏傳感器  

      氣體傳感器的核心部件是傳感器元件中的氣體敏感材料。自從發(fā)現(xiàn)CuO的電阻隨水汽的吸附而改變后，人們便開始關(guān)注半導(dǎo)體金屬氧化物作為氣敏材料[7]。至今，人們已發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)，經(jīng)研究得出：SnO2 、ZnO、Fe2O3是氣體傳感器的三大基系材料。因此，我們可以用這三大基系材料制造甲醛氣敏傳感器。
   
一、 SnO2甲醛氣敏元件
   
    SnO2是一種N型半導(dǎo)體，在N型多晶半導(dǎo)體材料中，相鄰晶粒間的接觸部分會(huì)形成雙肖特基勢(shì)壘。若吸附氧形成表面負(fù)電荷吸附，會(huì)使接觸勢(shì)壘明顯增高。氣敏元件通常都是置于大氣中工作的，空氣中的氧被吸附在氣敏元件上，形成高阻狀態(tài)。若遇到還原性氣體時(shí)，會(huì)形成表面正電荷吸附，或者說吸附的還原性氣體與已經(jīng)吸附的氧反應(yīng)，使之脫離吸附表面，從而使接觸部分的勢(shì)壘下降，粒子間能移動(dòng)的電子數(shù)增加，元件的電導(dǎo)率增大。
　　SnO2在室溫下雖能吸附氣體，但其電導(dǎo)率變化不大。但當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時(shí)需要加溫。
　　甲醛是一種還原性氣體，當(dāng)它與SnO2表面接觸時(shí)，會(huì)與SnO2表面吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，使晶粒間接觸的勢(shì)壘降低，從而使元件的電導(dǎo)率增加，電阻降低。但是SnO2材料對(duì)所有還原性氣體都有相同的結(jié)果，因此像甲醇、乙醇等氣體便對(duì)甲醛氣體造成了干擾。所以，單純以SnO2為材料不能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛氣體的高精度檢測(cè)。

二、  ZnO甲醛氣敏元件

    ZnO是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，也是一種應(yīng)用較廣泛的氣敏器件。ZnO氣敏元件對(duì)甲醛氣體的敏感機(jī)理和SnO2一樣。只是ZnO甲醛氣敏元件對(duì)對(duì)異丁烷、丙烷、乙烷、氫氣、一氧化碳、甲烷等還原性氣體的靈敏度比甲醛更高。因此，也不能單純以ZnO為材料便能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛氣體的高精度檢測(cè)。  

三、 Fe2O3甲醛氣敏元件

    Fe2O3是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，當(dāng)還原性氣體與多孔的接觸時(shí)，氣敏電阻的晶粒表面受到還原作用，其電阻串迅速降低（機(jī)理與上述兩種一樣）。這種敏感元件用于檢測(cè)烷類氣體特別靈敏。所以，還是不能單純以Fe2O3為材料便能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛氣體的高精度檢測(cè)。

四、 摻雜對(duì)甲醛氣敏元件氣敏特性的改善

    在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以增強(qiáng)材料對(duì)氣體種類的選擇性[8]。例如SnO2基體中摻雜鉑金屬時(shí)，則氫和氧在鉑表面原子上吸附和分解，形成吸附氧Oads或吸附氫Hads 
　　　　　　　　　2Pt + O2→2Pt + Oads        2Pt + H2→2Pt +   Hads
分解后的氧和氫流到半導(dǎo)體的表面，發(fā)生下列反應(yīng)：
　　　　　　　　　Oads  + e- → Oads -      2 Hads + Oads  →H2Oads + e-
可見，鉑起到了催化加速氧和氫的分解。因此，我們通過對(duì)基系材料摻雜一定比例的微量金屬單質(zhì)或金屬鹽類來改變甲醛氣敏元件的特性。我們主要研究以ZnO和 SnO2為基系的材料摻雜后對(duì)甲醛氣體的選擇性。

   1、ZnO-La2O3共摻雜對(duì)SnO2甲醛氣敏元件氣敏性能的改善

    選用WO3，ZnO，ThO2，La2O3等作為摻雜劑對(duì)溶膠-凝膠法制備的SnO2材料進(jìn)行摻雜，并測(cè)試其甲醛氣敏性能。結(jié)果表明ZnO,La2O3的摻雜提高了SnO2對(duì)甲醛的氣敏性。元件的靈敏度隨著ZnO的含量的增加而升高，但相差不是很大。但是ZnO的增加使SnO2元件對(duì)乙醇的靈敏度升高，即乙醇的干擾增強(qiáng)，因此制備元件時(shí)ZnO的含量不宜太大。當(dāng)La2O3含量增加時(shí)，元件對(duì)甲醛氣體的靈敏度隨之升高。
　　同時(shí)摻入3%La2O3和3%ZnO時(shí)，元件對(duì)300×10-6甲醛氣體靈敏度為16（在110℃時(shí)）。比單一摻雜的前兩種元件都高。元件對(duì)甲醛的靈敏度隨著甲醛濃度的增加而增加，在10×10-6～300×10-6范圍內(nèi)對(duì)甲醛有很高的靈敏度，而對(duì)乙酸、丙酮、乙醚和甲苯等干擾氣體的靈敏度很低。在*佳工作溫度下，元件對(duì)甲醛具有較好的響應(yīng)-恢復(fù)特性，對(duì)300×10-6的甲醛響應(yīng)時(shí)間為10秒，恢復(fù)時(shí)間為120秒。檢測(cè)下限可達(dá)到10×10-6（其靈敏度為2.0）。乙醇對(duì)元件具有一定的干擾，但是加上4Å分子篩修飾層以后，乙醇的干擾能力有一定的下降。因此，ZnO-La2O3共摻雜的SnO2傳感器具有較好的選擇性和靈敏度，是一種良好的甲醛敏感元件。

    2、 ZnO中摻雜La2O3甲醛氣敏傳感器性能的研究

     ZnO-La2O3共摻雜SnO2所用材料較多，配比復(fù)雜，我們?cè)谶x材時(shí)，在能達(dá)到目的的前提下，我們*好是選材越少越好。實(shí)驗(yàn)表明：氧化鋅中摻雜一定比例的La2O3同樣能實(shí)現(xiàn)元件對(duì)甲醛氣體的選擇性，同時(shí)靈敏度也很高。這樣，元件既對(duì)甲醛氣體敏感，又提高了選擇性，同時(shí)還節(jié)省材料和工作量。所以，ZnO中摻雜La2O3有望開發(fā)成一款新型甲醛氣敏傳感器。