金属氧化物甲醛气敏传感器
金属氧化物甲醛气敏传感器
气体传感器的核心部件是传感器元件中的气体敏感材料。自从发现CuO的电阻随水汽的吸附而改变后，人们便开始关注半导体金属氧化物作为气敏材料[7]。至今，人们已发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应，经研究得出：SnO2 、ZnO、Fe2O3是气体传感器的三大基系材料。因此，我们可以用这三大基系材料制造甲醛气敏传感器。
一、 SnO2甲醛气敏元件
SnO2是一种N型半导体，在N型多晶半导体材料中，相邻晶粒间的接触部分会形成双肖特基势垒。若吸附氧形成表面负电荷吸附，会使接触势垒明显增高。气敏元件通常都是置于大气中工作的，空气中的氧被吸附在气敏元件上，形成高阻状态。若遇到还原性气体时，会形成表面正电荷吸附，或者说吸附的还原性气体与已经吸附的氧反应，使之脱离吸附表面，从而使接触部分的势垒下降，粒子间能移动的电子数增加，元件的电导率增大。
SnO2在室温下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。
甲醛是一种还原性气体，当它与SnO2表面接触时，会与SnO2表面吸附的氧发生反应，使晶粒间接触的势垒降低，从而使元件的电导率增加，电阻降低。但是SnO2材料对所有还原性气体都有相同的结果，因此像甲醇、乙醇等气体便对甲醛气体造成了干扰。所以，单纯以SnO2为材料不能实现对甲醛气体的高精度检测。
二、 ZnO甲醛气敏元件
ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。ZnO气敏元件对甲醛气体的敏感机理和SnO2一样。只是ZnO甲醛气敏元件对对异丁烷、丙烷、乙烷、氢气、一氧化碳、甲烷等还原性气体的灵敏度比甲醛更高。因此，也不能单纯以ZnO为材料便能实现对甲醛气体的高精度检测。
三、 Fe2O3甲醛气敏元件
Fe2O3是属于N型金属氧化物半导体，当还原性气体与多孔的接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用，其电阻串迅速降低（机理与上述两种一样）。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。所以，还是不能单纯以Fe2O3为材料便能实现对甲醛气体的高精度检测。
四、 掺杂对甲醛气敏元件气敏特性的改善
在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以增强材料对气体种类的选择性[8]。例如SnO2基体中掺杂铂金属时，则氢和氧在铂表面原子上吸附和分解，形成吸附氧Oads或吸附氢Hads
2Pt + O2→2Pt + Oads 2Pt + H2→2Pt + Hads
分解后的氧和氢流到半导体的表面，发生下列反应：
Oads + e- → Oads - 2 Hads + Oads →H2Oads + e-
可见，铂起到了催化加速氧和氢的分解。因此，我们通过对基系材料掺杂一定比例的微量金属单质或金属盐类来改变甲醛气敏元件的特性。我们主要研究以ZnO和 SnO2为基系的材料掺杂后对甲醛气体的选择性。
1、ZnO-La2O3共掺杂对SnO2甲醛气敏元件气敏性能的改善
选用WO3，ZnO，ThO2，La2O3等作为掺杂剂对溶胶-凝胶法制备的SnO2材料进行掺杂，并测试其甲醛气敏性能。结果表明ZnO,La2O3的掺杂提高了SnO2对甲醛的气敏性。元件的灵敏度随着ZnO的含量的增加而升高，但相差不是很大。但是ZnO的增加使SnO2元件对乙醇的灵敏度升高，即乙醇的干扰增强，因此制备元件时ZnO的含量不宜太大。当La2O3含量增加时，元件对甲醛气体的灵敏度随之升高。
同时掺入3%La2O3和3%ZnO时，元件对300×10-6甲醛气体灵敏度为16（在110℃时）。比单一掺杂的前两种元件都高。元件对甲醛的灵敏度随着甲醛浓度的增加而增加，在10×10-6～300×10-6范围内对甲醛有很高的灵敏度，而对乙酸、丙酮、乙醚和甲苯等干扰气体的灵敏度很低。在最佳工作温度下，元件对甲醛具有较好的响应-恢复特性，对300×10-6的甲醛响应时间为10秒，恢复时间为120秒。检测下限可达到10×10-6（其灵敏度为2.0）。乙醇对元件具有一定的干扰，但是加上4Å分子筛修饰层以后，乙醇的干扰能力有一定的下降。因此，ZnO-La2O3共掺杂的SnO2传感器具有较好的选择性和灵敏度，是一种良好的甲醛敏感元件。
2、 ZnO中掺杂La2O3甲醛气敏传感器性能的研究
ZnO-La2O3共掺杂SnO2所用材料较多，配比复杂，我们在选材时，在能达到目的的前提下，我们最好是选材越少越好。实验表明：氧化锌中掺杂一定比例的La2O3同样能实现元件对甲醛气体的选择性，同时灵敏度也很高。这样，元件既对甲醛气体敏感，又提高了选择性，同时还节省材料和工作量。所以，ZnO中掺杂La2O3有望开发成一款新型甲醛气敏传感器。