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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(shí)間：2019-10-25 11:17:07 瀏覽：20872次

提起傳感器，大家應(yīng)該不會(huì)陌生，它能將溫度、壓力、濕度等物理量以電學(xué)信號(hào)的形式輸出，以達(dá)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(cè)有毒、易燃、易爆等氣體方面不可或缺。下面以半導(dǎo)體金屬氧化物基氣體傳感器為例講述其發(fā)展、結(jié)構(gòu)及工作原理。

1氣體傳感器的發(fā)展

20世紀(jì)70年代，來自荷蘭的科學(xué)家Bergveld發(fā)明了對(duì)氫離子響應(yīng)的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這標(biāo)志了離子敏感半導(dǎo)體傳感器的誕生。后來，人們發(fā)現(xiàn)金屬氧化物半導(dǎo)體在處于一些還原性和氧化性氣體中時(shí)，其電阻會(huì)隨著氣體濃度的不同而發(fā)生變化，由此引發(fā)了將半導(dǎo)體金屬氧化物應(yīng)用于氣體傳感器中的研究熱潮。近年來，隨著研究的進(jìn)一步深入，以ZnO、SnO₂、Fe₂O₃等為代表的n型半導(dǎo)體和以NiO、Co₃O₄等為代表的p型半導(dǎo)體廣泛地出現(xiàn)在氣體傳感器的研究中，人們?cè)诖祟I(lǐng)域取得了豐碩的成果。

2氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

下面以小六腳型傳感器為例說明氣體傳感器的結(jié)構(gòu)。

圖1 小六腳型傳感器的(a)結(jié)構(gòu)及(b)實(shí)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(dǎo)線，外加電阻絲兩端，共有六個(gè)觸點(diǎn)與底座相連，因此稱為小六腳型傳感器。制作時(shí)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(dǎo)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(dǎo)體制作的傳感器為例，當(dāng)傳感器處于空氣中時(shí)，空氣中的氧會(huì)吸附在傳感器表面并捕獲材料內(nèi)的電子，這些氧分子在得到電子后會(huì)變?yōu)閹ж?fù)電荷的氧離子，同時(shí)，由于氧分子奪去了材料內(nèi)部的電子，因此會(huì)在傳感器表面形成電子耗盡層，因?yàn)?/span>n型半導(dǎo)體是以電子作為多數(shù)載流子參與導(dǎo)電過程的，所以此時(shí)的傳感器電阻較大。當(dāng)還原性氣體（如乙醇、丙酮等）接觸傳感器時(shí)，這些氣體會(huì)與吸附在傳感器表面的氧離子進(jìn)行反應(yīng)，這時(shí)那些被氧捕獲的電子又重新回到材料內(nèi)部，使得傳感器的電阻變小。通過對(duì)傳感器在空氣中和待測(cè)氣體中電阻的變化幅度就可以對(duì)對(duì)應(yīng)濃度的氣體進(jìn)行檢測(cè)。

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

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

對(duì)于p型半導(dǎo)體制作的傳感器而言，其機(jī)理略有不同。因?yàn)閜型傳感器中多數(shù)載流子為空穴，當(dāng)吸附的氧捕獲材料內(nèi)的電子時(shí)，會(huì)使靠近傳感器表面的空穴相對(duì)濃度增加，形成空穴累積層，此時(shí)傳感器的電阻較小。當(dāng)還原性氣體與之接觸后，由于測(cè)試氣體與吸附氧之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此重新注入材料內(nèi)的電子會(huì)中和一部分空穴，使材料中多數(shù)載流子空穴濃度降低，因此傳感器的電阻會(huì)變大。

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

與n型半導(dǎo)體不同，當(dāng)注入還原性氣體時(shí)，p型半導(dǎo)體的電阻會(huì)變大，因此在電阻變化圖中會(huì)看到凸起的一段，當(dāng)傳感器回到空氣氣氛中時(shí)，其電阻值變小，重新恢復(fù)到未注入氣體前的狀態(tài)（圖6(a, c)）。在計(jì)算傳感器的靈敏度時(shí)，文獻(xiàn)中大部分都采用空氣中傳感器的電阻值Rg與注入測(cè)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(jīng)逐步發(fā)展為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料來源豐富、價(jià)格低廉的常見器件，廣大研究工作者也在繼續(xù)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(chǎn)之中，畢竟最好的科技就是讓人類在享受便利的同時(shí)忘記它的存在。

參考文獻(xiàn)

[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(chǎn)的WS-30A氣敏元件測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試）

圖7 WS-30A氣敏元件測(cè)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(jié)油透醇，在粉末中滴加1~2滴（可以視混合后的稀稠度做調(diào)整）。

2. 將松節(jié)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?zhèn)鞲胁牧鲜欠窀采w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(rèn)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(nèi)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(diào)整加熱電壓，使其在一定溫度下進(jìn)行老化（具體的老化溫度可以參照文獻(xiàn)或者自行探索），增加傳感器的穩(wěn)定性。

圖9 工作電路板

——完——

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