金屬氧化物甲醛氣敏傳感器  

      氣體傳感器的核心部件是傳感器元件中的氣體敏感材料。自從發(fā)現(xiàn)CuO的電阻隨水汽的吸附而改變后，人們便開始關(guān)注半導(dǎo)體金屬氧化物作為氣敏材料[7]。至今，人們已發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)，經(jīng)研究得出：SnO2 、ZnO、Fe2O3是氣體傳感器的三大基系材料。因此，我們可以用這三大基系材料制造甲醛氣敏傳感器。
   
一、 SnO2甲醛氣敏元件
   
    SnO2是一種N型半導(dǎo)體，在N型多晶半導(dǎo)體材料中，相鄰晶粒間的接觸部分會形成雙肖特基勢壘。若吸附氧形成表面負(fù)電荷吸附，會使接觸勢壘明顯增高。氣敏元件通常都是置于大氣中工作的，空氣中的氧被吸附在氣敏元件上，形成高阻狀態(tài)。若遇到還原性氣體時，會形成表面正電荷吸附，或者說吸附的還原性氣體與已經(jīng)吸附的氧反應(yīng)，使之脫離吸附表面，從而使接觸部分的勢壘下降，粒子間能移動的電子數(shù)增加，元件的電導(dǎo)率增大。
　　SnO2在室溫下雖能吸附氣體，但其電導(dǎo)率變化不大。但當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時需要加溫。
　　甲醛是一種還原性氣體，當(dāng)它與SnO2表面接觸時，會與SnO2表面吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，使晶粒間接觸的勢壘降低，從而使元件的電導(dǎo)率增加，電阻降低。但是SnO2材料對所有還原性氣體都有相同的結(jié)果，因此像甲醇、乙醇等氣體便對甲醛氣體造成了干擾。所以，單純以SnO2為材料不能實現(xiàn)對甲醛氣體的高精度檢測。

二、  ZnO甲醛氣敏元件

    ZnO是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，也是一種應(yīng)用較廣泛的氣敏器件。ZnO氣敏元件對甲醛氣體的敏感機理和SnO2一樣。只是ZnO甲醛氣敏元件對對異丁烷、丙烷、乙烷、氫氣、一氧化碳、甲烷等還原性氣體的靈敏度比甲醛更高。因此，也不能單純以ZnO為材料便能實現(xiàn)對甲醛氣體的高精度檢測。  

三、 Fe2O3甲醛氣敏元件

    Fe2O3是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，當(dāng)還原性氣體與多孔的接觸時，氣敏電阻的晶粒表面受到還原作用，其電阻串迅速降低（機理與上述兩種一樣）。這種敏感元件用于檢測烷類氣體特別靈敏。所以，還是不能單純以Fe2O3為材料便能實現(xiàn)對甲醛氣體的高精度檢測。

四、 摻雜對甲醛氣敏元件氣敏特性的改善

    在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以增強材料對氣體種類的選擇性[8]。例如SnO2基體中摻雜鉑金屬時，則氫和氧在鉑表面原子上吸附和分解，形成吸附氧Oads或吸附氫Hads 
　　　　　　　　　2Pt + O2→2Pt + Oads        2Pt + H2→2Pt +   Hads
分解后的氧和氫流到半導(dǎo)體的表面，發(fā)生下列反應(yīng)：
　　　　　　　　　Oads  + e- → Oads -      2 Hads + Oads  →H2Oads + e-
可見，鉑起到了催化加速氧和氫的分解。因此，我們通過對基系材料摻雜一定比例的微量金屬單質(zhì)或金屬鹽類來改變甲醛氣敏元件的特性。我們主要研究以ZnO和 SnO2為基系的材料摻雜后對甲醛氣體的選擇性。

   1、ZnO-La2O3共摻雜對SnO2甲醛氣敏元件氣敏性能的改善

    選用WO3，ZnO，ThO2，La2O3等作為摻雜劑對溶膠-凝膠法制備的SnO2材料進行摻雜，并測試其甲醛氣敏性能。結(jié)果表明ZnO,La2O3的摻雜提高了SnO2對甲醛的氣敏性。元件的靈敏度隨著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元件對乙醇的靈敏度升高，即乙醇的干擾增強，因此制備元件時ZnO的含量不宜太大。當(dāng)La2O3含量增加時，元件對甲醛氣體的靈敏度隨之升高。
　　同時摻入3%La2O3和3%ZnO時，元件對300×10-6甲醛氣體靈敏度為16（在110℃時）。比單一摻雜的前兩種元件都高。元件對甲醛的靈敏度隨著甲醛濃度的增加而增加，在10×10-6～300×10-6范圍內(nèi)對甲醛有很高的靈敏度，而對乙酸、丙酮、乙醚和甲苯等干擾氣體的靈敏度很低。在*佳工作溫度下，元件對甲醛具有較好的響應(yīng)-恢復(fù)特性，對300×10-6的甲醛響應(yīng)時間為10秒，恢復(fù)時間為120秒。檢測下限可達到10×10-6（其靈敏度為2.0）。乙醇對元件具有一定的干擾，但是加上4Å分子篩修飾層以后，乙醇的干擾能力有一定的下降。因此，ZnO-La2O3共摻雜的SnO2傳感器具有較好的選擇性和靈敏度，是一種良好的甲醛敏感元件。

    2、 ZnO中摻雜La2O3甲醛氣敏傳感器性能的研究

     ZnO-La2O3共摻雜SnO2所用材料較多，配比復(fù)雜，我們在選材時，在能達到目的的前提下，我們*好是選材越少越好。實驗表明：氧化鋅中摻雜一定比例的La2O3同樣能實現(xiàn)元件對甲醛氣體的選擇性，同時靈敏度也很高。這樣，元件既對甲醛氣體敏感，又提高了選擇性，同時還節(jié)省材料和工作量。所以，ZnO中摻雜La2O3有望開發(fā)成一款新型甲醛氣敏傳感器。