提到傳感器，相信大家應(yīng)該都不會(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)到讓工作人員、計(jì)算機(jī)等可以識(shí)別和記錄的目的。而氣體傳感器則是其中最重要的組成部分之一，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)體氣體傳感器為例，講述其發(fā)展及工作原理。

氣體傳感器的發(fā)展

20世紀(jì)70年代，來(lái)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(lái)，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(lái)，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。

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)閚型半導(dǎo)體是以電子作為多數(shù)載流子參與導(dǎo)電過(guò)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(guò)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)。

對(duì)于n型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，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。

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。

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。

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(lái)源豐富、價(jià)格低廉的常見(jiàn)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(lái)，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。

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