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氣體傳感器——人類的好幫手丨附小六腳型傳感器制作方法

來源：時間：2019-10-25 11:17:07 瀏覽：20904次

提起傳感器，大家應該不會陌生，它能將溫度、壓力、濕度等物理量以電學信號的形式輸出，以達到顯示和記錄的目的。而氣體傳感器則是其中重要的組成部分，在檢測有毒、易燃、易爆等氣體方面不可或缺。下面以半導體金屬氧化物基氣體傳感器為例講述其發展、結構及工作原理。

1氣體傳感器的發展

20世紀70年代，來自荷蘭的科學家Bergveld發明了對氫離子響應的離子敏感場效應晶體管，這標志了離子敏感半導體傳感器的誕生。后來，人們發現金屬氧化物半導體在處于一些還原性和氧化性氣體中時，其電阻會隨著氣體濃度的不同而發生變化，由此引發了將半導體金屬氧化物應用于氣體傳感器中的研究熱潮。近年來，隨著研究的進一步深入，以ZnO、SnO₂、Fe₂O₃等為代表的n型半導體和以NiO、Co₃O₄等為代表的p型半導體廣泛地出現在氣體傳感器的研究中，人們在此領域取得了豐碩的成果。

2氣體傳感器的結構

下面以小六腳型傳感器為例說明氣體傳感器的結構。

圖1 小六腳型傳感器的(a)結構及(b)實物照片^[1]

圖2 陶瓷管

圖3 Ni-Cr加熱電阻絲

圖4 黑色耐高溫底座

小六腳型傳感器主要由陶瓷管、Ni-Cr加熱電阻絲和黑色耐高溫底座組成，由于陶瓷管上有四根Pt導線，外加電阻絲兩端，共有六個觸點與底座相連，因此稱為小六腳型傳感器。制作時需要將傳感材料均勻地涂覆于陶瓷管表面，隨后將電阻絲穿過陶瓷管中間，最后將六根金屬導線焊接在底座上即可。

3氣體傳感器的工作原理

以n型半導體制作的傳感器為例，當傳感器處于空氣中時，空氣中的氧會吸附在傳感器表面并捕獲材料內的電子，這些氧分子在得到電子后會變為帶負電荷的氧離子，同時，由于氧分子奪去了材料內部的電子，因此會在傳感器表面形成電子耗盡層，因為n型半導體是以電子作為多數載流子參與導電過程的，所以此時的傳感器電阻較大。當還原性氣體（如乙醇、丙酮等）接觸傳感器時，這些氣體會與吸附在傳感器表面的氧離子進行反應，這時那些被氧捕獲的電子又重新回到材料內部，使得傳感器的電阻變小。通過對傳感器在空氣中和待測氣體中電阻的變化幅度就可以對對應濃度的氣體進行檢測。

圖5 n型半導體SnO₂傳感器的電阻響應-恢復（左）及靈敏度曲線圖（右）^[2]

對于n型半導體來說，當注入還原性氣體時，其電阻會變小，因此在電阻變化圖中會看到凹下去的一段，當傳感器回到空氣氣氛中時，其電阻值變大，重新恢復到未注入氣體前的狀態（圖5左）。在計算傳感器的靈敏度時，文獻中大部分都采用空氣中傳感器的電阻值Ra與注入測試氣體后的電阻值Rg的比值，即靈敏度=Ra/Rg（圖5右）。

對于p型半導體制作的傳感器而言，其機理略有不同。因為p型傳感器中多數載流子為空穴，當吸附的氧捕獲材料內的電子時，會使靠近傳感器表面的空穴相對濃度增加，形成空穴累積層，此時傳感器的電阻較小。當還原性氣體與之接觸后，由于測試氣體與吸附氧之間發生氧化還原反應，因此重新注入材料內的電子會中和一部分空穴，使材料中多數載流子空穴濃度降低，因此傳感器的電阻會變大。

圖6 p型半導體Co₃O₄傳感器的電阻響應-恢復(a, c)及靈敏度曲線圖(b, d)^[3]

與n型半導體不同，當注入還原性氣體時，p型半導體的電阻會變大，因此在電阻變化圖中會看到凸起的一段，當傳感器回到空氣氣氛中時，其電阻值變小，重新恢復到未注入氣體前的狀態（圖6(a, c)）。在計算傳感器的靈敏度時，文獻中大部分都采用空氣中傳感器的電阻值Rg與注入測試氣體后的電阻值Ra的比值，即靈敏度= Rg / Ra（圖6(b, d)）。

從以上介紹可以看到，氣體傳感器已經逐步發展為結構簡單、材料來源豐富、價格低廉的常見器件，廣大研究工作者也在繼續朝著微型化、智能化的方向努力，相信不久的將來，氣體傳感器能夠更加深入人們的生活和生產之中，畢竟最好的科技就是讓人類在享受便利的同時忘記它的存在。

參考文獻

[1] Q. Qi, T. Zhang, L. Liu, et al. Synthesis and Toluene Sensing Properties of SnO₂ Nanofibers [J]. Sens. Actuators, B, 2009, 137(2): 471-475.

[2] Y. Yuan, Y. Wang, M. Wang, et al. Effect of Unsaturated Sn Atoms on Gas-Sensing Property in Hydrogenated SnO₂ Nanocrystals and Sensing Mechanism [J]. Sci. Rep. 7:1231 (2017).

[3] C. Sun, X. T. Su, F. Xiao, et al. Synthesis of nearly monodisperse Co₃O₄ nanocubes via a microwave-assisted solvothermal process and their gas sensing properties [J]. Sens. Actuators, B, 2011, 157: 681-685.

附：小六腳型傳感器的制作方法（使用鄭州煒盛生產的WS-30A氣敏元件測試儀進行測試）

圖7 WS-30A氣敏元件測試儀

1. 稱取5mg傳感材料于研缽中，隨后用1mL量程的注射器吸取松節油透醇，在粉末中滴加1~2滴（可以視混合后的稀稠度做調整）。

2. 將松節油透醇和傳感材料在研缽中混合均勻，形成糊狀物。

3. 用毛刷蘸取或注射器吸取一定量的糊狀物，均勻涂敷在陶瓷管表面，完全覆蓋陶瓷管表面的電極。

4. 將涂覆有傳感材料的陶瓷管置于60℃烘箱中干燥10分鐘，隨后取出，觀察陶瓷管表面傳感材料是否覆蓋均勻，若有裂紋或覆蓋不均勻的地方可蘸取少量糊狀物涂抹至均勻，然后放入烘箱中再次烘干。

5. 取出烘干后的陶瓷管，確認表面的傳感材料覆蓋均勻后，將電阻加熱絲從陶瓷管中間穿過，并使加熱絲處于陶瓷管內部中心位置。

6. 將陶瓷管上的四根金屬絲和加熱絲兩端分別利用焊槍和焊錫（圖8）焊接在底座上，焊接完畢后檢查焊接是否牢固。

圖8 焊槍和焊錫

7. 將焊接完成的傳感器插入電路板（圖9）中，調整加熱電壓，使其在一定溫度下進行老化（具體的老化溫度可以參照文獻或者自行探索），增加傳感器的穩定性。

圖9 工作電路板

——完——

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