氣敏半導(dǎo)體陶瓷研究背景

在地球的表層，埋藏著大量的煤炭資源，勤勞勇敢的煤礦工人夜以繼日地在井下作業(yè)，地下的“烏金”被源源不斷地送往電廠、鋼廠及千家萬(wàn)戶，給人類送來(lái)光明和溫暖。但是，在煤礦的礦井中有一種危害礦工生命的氣體——瓦斯。它不僅會(huì)令人窒息，而且一旦爆炸，后果不堪設(shè)想。在寒冷的冬天，居民用煤炭取暖，稍不注意會(huì)造成煤氣中毒。在許多城市中做飯燒水都用上了煤氣，這種煤氣主要是由一氧化碳和氫氣組成的，煤氣給人們的生活帶來(lái)了方便，但是這種有毒、易燃、易爆氣體一旦泄漏也會(huì)造成巨大的危害。

這種“電鼻子”學(xué)名叫氣敏檢漏儀。它的“鼻子”是一塊“氣敏陶瓷”，亦稱氣敏半導(dǎo)體。這種氣敏陶瓷是用二氧化錫等材料經(jīng)壓制燒結(jié)而成的。它的表面和內(nèi)部吸附著氧分子，當(dāng)遇到易燃易爆的還原性氣體時(shí)，這些氣體就會(huì)與其吸附的氧結(jié)合，從而引起陶瓷電阻的變化。在這種情況下，氣敏檢漏儀就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。這種“電鼻子”對(duì)許多氣體反映十分靈敏，如對(duì)百萬(wàn)分之一濃度的氫氣即能顯示。有了這種“電鼻子”，礦井、工廠和家庭再也不會(huì)為這些還原性有害氣體而提心吊膽了。因?yàn)橹灰諝庵羞€原性氣體超標(biāo)，指示燈就會(huì)閃亮，報(bào)警器就會(huì)鳴響，人們就可以采取通風(fēng)、檢漏、堵漏等措施。這樣，就會(huì)化險(xiǎn)為夷，生命財(cái)產(chǎn)得到了保障 。

氣敏半導(dǎo)體陶瓷亦稱氣敏陶瓷，是用于吸收某種氣體后電阻率發(fā)生變化的一種功能陶瓷。它是用二氧化錫等材料經(jīng)壓制燒結(jié)而成的，對(duì)許多氣體反映十分靈敏，可應(yīng)用于氣敏檢漏儀等裝置進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。在生活中，它是應(yīng)用越來(lái)越多，可保障人們的生命財(cái)產(chǎn) 。

人們?cè)谘兄圃囼?yàn)各種陶瓷時(shí)，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體陶瓷作為氣敏材料的靈敏度非常高。如薄膜狀氧化鋅氣敏材料可檢測(cè)氫氣、氧氣、乙烯和丙烯氣體；以鉑作催化劑時(shí)可檢測(cè)乙烷和丙烷等烷烴類可燃性氣體；氧化錫氣敏材料可檢測(cè)甲烷、乙烷等可燃性氣體。氧化銥系材料是測(cè)氧分壓最常用的敏感材料。

此外，氧化鐵、氧化鎢、氧化鋁、氧化鋁等氧化物都有一定的氣敏特性。它們通過(guò)有選擇地吸附氣體，使半導(dǎo)體的表面能態(tài)發(fā)生改變，從而引起電導(dǎo)率的變化，以此確定某種未知?dú)怏w及其濃度。探測(cè)諸如一氧化碳、酒精、煤氣、苯、丙烷、氫、二氧化硫等氣體的氣敏陶瓷已經(jīng)獲得了成功。半導(dǎo)體陶瓷氣敏材料在工業(yè)上有著極為廣闊的應(yīng)用前景。如對(duì)煤礦開(kāi)采中的瓦斯進(jìn)行控制與檢測(cè)，對(duì)煤氣輸送和化工生產(chǎn)中管道氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)等。

氣敏陶瓷通常分為半導(dǎo)體式和固體電解質(zhì)式兩大類。

按制造方法又分為燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型。

制造方法又分為燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型。

按材料成分分為金屬氧化物系列（ZnO、材料成分分為金屬氧化物系列（SnO₂、ZnO和復(fù)合氧化物系列(通式為ABOFe₂O₃、ZrO₂)和復(fù)合氧化物系列(通式為ABO₃) 。

半導(dǎo)體氣敏陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理主要有能級(jí)生成理論和接觸粒界勢(shì)壘理論。按能級(jí)生成理論，當(dāng)SnO₂、ZnO等N型半導(dǎo)體陶瓷表面吸附還原性氣體時(shí)，氣體將電子給予半導(dǎo)體，并以正電荷與半導(dǎo)體相吸，而進(jìn)入N型半導(dǎo)體內(nèi)的電子又束縛少數(shù)載流子空穴，使空穴與電子的復(fù)合率降低，增大電子形成電流的能力，使陶瓷電阻值下降；當(dāng)N型半導(dǎo)體陶瓷表面吸附氧化性氣體時(shí)，氣體將其空穴給予半導(dǎo)體，并以負(fù)離子形式與半導(dǎo)體相吸，而進(jìn)入N型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴使半導(dǎo)體內(nèi)的電子數(shù)減少，因而陶瓷電阻值增大。接觸粒界勢(shì)壘理論則依據(jù)多晶半導(dǎo)體能帶模型，在多晶界面存在勢(shì)壘，當(dāng)界面存在氧化性氣體時(shí)勢(shì)壘增加，存在還原性氣體時(shí)勢(shì)壘降低，從而導(dǎo)致阻值變化。

常用的氣敏陶瓷材料有SnO₂、ZnO和ZrO₂。SnO₂氣敏陶瓷的特點(diǎn)是靈敏度高，且出現(xiàn)最高靈敏度的溫度Tm較低（約300℃），最適于檢測(cè)微量濃度氣體，對(duì)氣體的檢測(cè)是可逆的，吸附、解析時(shí)間短。ZnO氣敏陶瓷的氣體選擇性強(qiáng)。ZrO₂系氧氣敏感陶瓷是一種固體電解質(zhì)陶瓷的快離子導(dǎo)體。因ZrO₂固體中含有大量氧離子晶格空位，因此，造成氧離子導(dǎo)電。

從當(dāng)前的水平來(lái)看，半導(dǎo)體氣敏陶瓷元件的靈敏度高，有利于實(shí)現(xiàn)快速，連續(xù)及自動(dòng)測(cè)量，結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)單、方便、價(jià)廉。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性、互換性不好，對(duì)不同氣體分辨力差，在低溫，常溫條件下工作問(wèn)題還有待．進(jìn)一步解決，不易實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)等。要解決現(xiàn)存問(wèn)題需要從以下幾個(gè)方面著手：

(1)積極開(kāi)展有關(guān)氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料基礎(chǔ)理論的研究。必須進(jìn)一步深入地開(kāi)展對(duì)上述各項(xiàng)的研究，才能從新的理論基礎(chǔ)上探討解決氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料各種性能問(wèn)題。

(2)提高材料的性能，積極尋找新材料。氧化錫系、氧化鋅系，氧化鐵系等氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料已實(shí)用化，但性能還有待進(jìn)一步提高。

(3)積極開(kāi)展多功能化、微型化、集成化氣敏半導(dǎo)體陶瓷元件的研制開(kāi)發(fā)。今后氣敏半導(dǎo)體陶瓷元件的發(fā)展方向?qū)⑹嵌蹋?、輕、薄型化 。