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试述 气体传感器设计
文◎寇文兵（中国电子科技集团公司哈尔滨四十九所）
摘要：微电子技术的日益普及和应用，
传感器已经深入到人类生活的各个领域。因 此对传感器的性能、数量及用途提出了新的
需求。本文简要总结了ＳｎＯ，气体传感器其优缺
点，并对各种修饰、改善ＳｎＯ 薄膜气体传感器
性能的方法进行了归纳。
关键词：传感器：设计
一、气体传感器的发展方向
１．努力实现传感器新特性
由于自动化生产程度的不断提高，必 须研制出一批具有检测范围宽、高灵敏度、
高精度、响应速度快及互换性好的新型传感
器，以确保自动化生产检测和控制的准确
性。
２．确保传感器的可靠性，延长其使用寿 命
确保传感器工作可靠性的意义是很直观 的，因为它直接关系到电子设备的抗干扰和
误动作问题。传感器的可靠性主要体现在具
有较长的使用寿命，能在恶劣环境下工作及 具有失效保险功能等。
３．传感器微型化 微机电系统是一种轮廓尺寸在毫米量级，
组成元件尺寸在微米量级的可运动的微型机 电装置。ＭＥＭＳ技术借助集成电路的制造技术
来制造机械装置，可制造出微型齿轮、微型电
机、泵、阀门、各种光学镜片及各种悬臂梁
等。
二、ＳｎＯ２薄膜材料传感器性能修饰 ＳｎＯ 薄膜材料传感器的主要缺点是较差
的选择性及可靠性。根据报道，灵敏性、选 择性、响应时间、恢复时间以及稳定性等可
以通过向ＳｎＯ 中掺入特定的添加剂来改善。控
￥ｉ］ＳｎＯ，传感器操作温度，用运掩罩、滤膜则可 以改善其灵敏性。催化剂如钯、铂、银、铑
等贵金属被经常用作添加剂来改善ＳｎＯ，薄膜的 选择性和灵敏性 早期人们认为，贵金属添
加后，在ＳｎＯ 晶粒表面形成金属团簇可产生额
外的吸附位置，气体在其表面发生催化氧化 还原作用。然而，多晶的ＳｎＯ，与还原气体的
作用机制更为复杂。它包括：ＳｎＯ。晶格氧的 失去、锡氧化态的修饰以及在本征的金属与
掺杂金属之间新键的形成。ＳｎＯ 薄膜本身对三
甲基胺几乎不敏感，当掺入Ｔｈ后，在工作温度 ２ＯＯ～３６０℃范围内，对低量的三甲基胺气体
会变得很灵敏。许多氧化物也被作为添加剂 掺．Ｘ．ＳｎＯ 薄膜中来改善其性能。通过向ＳｎＯ，薄
膜负载金属氧化物，也可修饰其传感性能。
例如，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｓａｋａｍａ等人制备的ＳｎＯ，薄膜，
在负载５％原子比的Ｌａ，２００℃时是可以获得最 大的灵敏度。对于ＣｕＯ纳米粒子负载的ＳｎＯ，薄
膜传感器，它则展示了快的响应速度，高的 灵敏度，短的恢复时间。采用复合薄膜的办
法也可以修饰ＳｎＯ，薄膜传感器的性质。对于这 种异质结构，活性区域在两种材料的界面，
它们就像是一个ｐ—ｎ结，在异质结界面，气 体被吸附在两边异质上，以不同的速率被氧
化，影响了其势垒特征，因而会影响其传感 性能。
ｌ１８ 三、改善气敏传感器性能 ＳｎＯ 是一种广普型的气敏材料，围绕ＳｎＯ
为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件 制备的研究课题十分活跃 ＳｎＯ 粉体的粒径大
小，颗粒的形状、均匀性、稳定性都直接影
响着制成的气敏器件的灵敏度、功耗、响应 恢复特性及稳定性等重要参数。纯ＳｎＯ，的气敏
特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。为 改善其气敏特性，常在ＳｎＯ 基体中掺入贵金属
或其他金属氧化物。尽管ＳｎＯ，基传感材料具有
许多优点，但ＳｎＯ，作为材料也存在一定缺点， 为了找到合适的方法改善ＳｎＯ，传感器的气敏性
能，发挥其主要优势，克服不利因素，研究 人员作了许多工作，主要有：
１．控制气敏材料微粒大小、颗粒纳米化 由于ＳｎＯ，是表面电阻控制型气敏材料，表
面积越大，表面活性较一般材料就越高，吸 附能力也就越大，与气体反应得就越快，其
灵敏度也越高，因此传感器的纳米化是制备
高灵敏度气体传感器的最佳方法之一。半导 体纳米团簇具有比表面积大，相对气体阻抗
变化大的优点，因而可以满足气体传感器灵
敏度较高、使用温度下检测范围大的要求。 纳米材料有显著的表面效应，体积效应、量
子效应、小尺寸效应和宏观量于隧道效应， 使得它应用很广。
２．利用过滤设备或透气膜来获得选择性 在传感器上设置一层薄膜，该膜层可以
选择性地通过或阻止某些气体而提高元件的 选择性。如ｓｉＯ。提高对Ｈ 的选择性，聚四氟乙
烯可防止水分进入传感器。但透气膜的使用
在一定程度上降低了灵敏度。 ３．控制工作温度及环境湿度影响
温度过高易引起可燃性气体的燃烧， 导致爆炸，应尽可能制作可在低温下工作的
传感器，用纳米材料制得元件就可大大降低 传感器的工作温度，这是目前传感器技术发
展的一个方向。空气中水份的影响也不容忽
视，可以采用在传感器表面添加不与被检测 气体及ＳｎＯ，表面发生反应的干燥剂成分，吸收
水分，且不影响气敏效应。 ４．改进制备方法
制作薄膜型气敏器件，用湿化学方法 （化学共沉淀法、溶胶一凝胶法）制原料等。
在原有的制备方法上加以改良。
四、抑制ｓｎ０，传感器温度干扰 基于ＳｎＯ，材料的气体传感器在不同的工
作温度下对不同气体具有不同的敏感度，因
此可适用于局域环境中有害气体的检测。工 作在４００℃左右时，对甲烷（ｃＨ ）的敏感度最
强，非常适用于检ＮｃＨ ；在２００℃左右时，
对一氧化碳（ｃＯ）的敏感度最强，适用于检测 ｃＯ气体。此类传感器的基本工作原理是根据
ＳｎＯ，材料的电阻会随着气体体积分数的不同 而改变，通过检测该类传感器的电阻即可知
道环境中被测气体的浓度。但是，由于传感 器的电阻受到工作环境（温度、湿度和其他气
体）的影响，特别是直热式气体传感器，其敏 感和加热部件的热容都比较小，对气体的响 应速度比较快，容易受到环境温度的影响。
无论采用电压源还是电流源给加热丝供电， 当环境温度发生变化时，加热丝的温度都会
改变，从而影响了传感器检测的准确性和稳 定性。采用数字ＰＩ控制，保持加热电阻为恒
定值，使传感器工作在一个稳定的绝对温度
下，从而消除了环境温度的变化对传感器的 影响。通过对ｃＨ 气体的检测和对其实验结果
的分析，表明该方法能有效抑制环境温度对 气体传感器的影响。
结论 虽然各种传感器技术的不断发展，但基
气敏传感器在批量生产方面比其他传感器更 具有优势。气体传感器下一步发展方向是微
型化、集成化、多功能化和智能化。ＳｎＯ 基薄 膜材料的制备方法与修饰改性是朝这一方向
发展的基础，因此尤为重要。
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（上接１１７页）低，清灰周期长，减少了
滤袋的更换维护费用，节省了引风机的电耗 费用，节省了压缩空气消耗量。
３．３．６布袋除尘的效率是不受粉尘比 电阻限制的更为可靠的除尘方式，除尘效率
除了布袋的破损外，不受任何其他因素的影 响。随着环保要求的提高，布袋除尘是取代
电除尘的最好选择，目前在欧美国家，电除
尘已经完全被布袋除尘器所取代，国内业界 也在逐步认识到这个方向的不可逆转，布袋
的成熟主要由于以下几个原因：ｌ、滤料的质 量今非昔比，得益于技术的进步，耐高温、
耐腐蚀、耐水、耐油、防静电材料已普遍采 用，尤其燃煤锅炉通用的ＰＰＳ滤料，其技术性
能经实际检验，完全可以满足电厂的需要。
２、布袋除尘器本身技术的提高，目前国内外
通用的低压脉冲清灰方式，完全解决了糊袋 和二次飞扬问题，使布袋的使用维护变得更
简便，成本更低廉。 ４、结语
电袋改造是大势所趋，通过电袋改造，
烟尘排放浓度可稳定的低于５０ｍｇ／ｍ ，保证达 标排放，减少环境污染，在爱护化境、保护
地球、美化地球的使命中拿出我们应有的行 动，使我们的地球母亲永远年轻。