气体传感器原理与应用 Principle and Application of Gas Sensor
气体传感器简介
• 气体传感器是指：置于待测气体氛围中，可以直 接感受响应分析待测气体，经过一定反应时间， 物理性质发生变化，并将检测到的气体类别、浓 度和成分等可以量化测量的参数以电信号形式输 出的器件。
实例一：ZnO NRs/GaN对H2S的响应
ZnO NRs/GaN异质结的协同效应，使其的性能优 于未修饰的ZnO或GaN
实例二：p-n结型CuO-ZnO对乙醇的响应
吸附氧(O2−、O−和O2−)的形成导致了ZnO表面的电子耗尽层。醇与 吸附氧反应，再将捕获的电子释放回ZnO，增大载流子浓度，减小电 阻率。可通过监测ZnO电导率的变化来实现传感。
NASICON，ZrO2 ——
半导体气体传感器结构
气敏半导体材料的性能测试
气敏半导体材料的性能指标
1.测试温度
2.检测灵敏度
还原性气体：S = Ra /Rg 氧化性气体：S = Rg /Ra
3.气体选择性
4.响应和恢复速率
响应时间(response time) tres ：|Ra -Rg |*90% 恢复时间(recovery time) trec ：| Rg-Ra | *90%
纳米金属氧化物气敏性能
• 纳米金属氧化物分布在衬底上时可以增加比表面 积，更有利于气体的吸附。
• 纳米材料的引入导致分子和基底之间产生较强的 相互作用，为分析物提供更大的接触面积。
• 纳米管：Co3O4,Fe2O3, SnO2,TiO2 • 纳米棒：ZnO,MoO3,WO3 • 纳米带：ZnO,SnO2,V2O5 • 纳米线：In2O3,ZnO,SnO2,β-Ga2O3
• 气体传感器在环境保护、食品工业、临床诊断、 工业生产安全、燃气安全、公共安全和国土安全 等方面有着重要的应用。
气体传感器分类
传感器类型
传感原理
应用材料
半导体气体传感器 电阻率改变 金属氧化物，多孔硅，GaN
电化学气体传感器 电催化反应
催化剂
场效应管气体传感器 场效应管
碳纳米管
固体电解质气体传感器 电离电动势 红外吸收气体传感器 红外吸收
金属氧化物气敏机理 当金属氧化物晶体在空气中被加热到某一温度时， 吸附在晶体表面的氧分子会获得负电荷。
金属氧化物气敏机理
实例一：ZnO NRs/GaN对H2S的响应
传感器的制备： 单晶Si-doped GaN工作电极作为衬底 恒电势-1.2V电沉积30分钟后，形成ZnO NRs-GaN异质结
实例一：ZnO NRs/GaN对H2S的响应 GaN衬底上ZnO NRs的形貌
2. 新型气体传感器的设计与研制
3. 气体传感器的人工智能应用
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这种效应会出现两种结果:①它们有可能促进了电荷从分析物到纳米 管的传输;②分析物可能作为一个潜在的散射势垒(即粒子的潜在散射)。
当分析物吸附一个电子受体后，电荷转移会增加电导率。一方面，如 果分析物是电子给体，纳米管上的空穴数M会减少并导致电导率的下 降。这种效应可以用来调制场效应器件与第三栅电极。另一方面，如 果分析物作为散射中心，在其特性没有改变的情况下电流将会减小。
实例二：p-n结型CuO-ZnO对乙醇的响应
碳纳米管气体传感器 电阻型碳纳米管传感器
碳纳米管气体传感器 体传感器
场效应碳纳米管工作原理
我们可以从电导的角度论述相关原理，纳米管是金属型还是半导体型 取决于它的结构属性。半导体特性的碳纳米管常用作场效应型的器件。 当分析物黏附在碳纳米管的表面时，传感器的电学特性会随之发生改 变，因此可以实现对被分析物的检测。
气敏器件研究的挑战
1. 材料的最佳的相应温度较高，限制了小型化、便 携化的推广应用。 2. 材料的气体选择性较差，影响对目标分子的而精 准识别。 3. 纳米粒子尺寸对响应效率和稳定性的影响相互矛 盾，需要找到其平衡点。
气敏器件发展前景
1. 新气敏材料与制作工艺的研究开发 一是利用化学修饰改性方法 二是研制开发新的高性能、低成本气体敏感膜材 料，例如高分子气敏材料，石墨烯膜 三是提升材料整体的柔性、耐久性、抗干扰能力