氣敏陶瓷基本原理

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

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℃），最適于檢測微量濃度氣體，對氣體的檢測是可逆的，吸附、解析時間短。ZnO氣敏陶瓷的氣體選擇性強。ZrO2系氧氣敏感陶瓷是一種固體電解質(zhì)陶瓷的快離子導體。因ZrO2固體中含有大量氧離子晶格空位，因此，造成氧離子導電。

氣敏陶瓷通常分為半導體式和固體電解質(zhì)式兩大類。

按制造方法又分為燒結型、厚膜型和薄膜型。

制造方法又分為燒結型、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和復合氧化物系列(通式為ABO Fe2O3、ZrO2)和復合氧化物系列(通式為ABO3)。

人們在研制試驗各種陶瓷時，發(fā)現(xiàn)半導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氫氣、氧氣、乙烯和丙烯氣體；以鉑作催化劑時可檢測乙烷和丙烷等烷烴類可燃性氣體；氧化錫氣敏材料可檢測甲烷、乙烷等可燃性氣體。氧化銥系材料是測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。它們通過有選擇地吸附氣體，使半導體的表面能態(tài)發(fā)生改變，從而引起電導率的變化，以此確定某種未知氣體及其濃度。探測諸如一氧化碳、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。

半導體陶瓷氣敏材料在工業(yè)上有著極為廣闊的應用前景。如對煤礦開采中的瓦斯進行控制與檢測，對煤氣輸送和化工生產(chǎn)中管道氣體泄漏進行監(jiān)測等。

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、鋼廠及千家萬戶，給人類送來光明和溫暖。但是，在煤礦的礦井中有一種危害礦工生命的氣體——瓦斯。它不僅會令人窒息，而且一旦爆炸，后果不堪設想。在寒冷的冬天，居民用煤炭取暖，稍不注意會造成煤氣中毒。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了方便，但是這種有毒、易燃、易爆氣體一旦泄漏也會造成巨大的危害。

如果能對這些有害氣體早發(fā)現(xiàn)、早預報該多好??！

為此，科技工作者研制出了專門預報這些有毒、易燃、易爆氣體的“電鼻子”。

這種“電鼻子”學名叫氣敏檢漏儀。它的“鼻子”是一塊“氣敏陶瓷”，亦稱氣敏半導體。這種氣敏陶瓷是用二氧化錫等材料經(jīng)壓制燒結而成的。它的表面和內(nèi)部吸附著氧分子，當遇到易燃易爆的還原性氣體時，這些氣體就會與其吸附的氧結合，從而引起陶瓷電阻的變化。在這種情況下，氣敏檢漏儀就會自動報警。這種“電鼻子”對許多氣體反映十分靈敏，如對百萬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為這些還原性有害氣體而提心吊膽了。因為只要空氣中還原性氣體超標，指示燈就會閃亮，報警器就會鳴響，人們就可以采取通風、檢漏、堵漏等措施。這樣，就會化險為夷，生命財產(chǎn)得到了保障。

從水平來看，半導體氣敏陶瓷元件的靈敏度高，有利于實現(xiàn)快速，連續(xù)及自動測量，結構及工藝簡單、方便、價廉。缺點是穩(wěn)定性、互換性不好，對不同氣體分辨力差，在低溫、常溫條件下工作問題還有待進一步解決，不易實現(xiàn)定量檢測等。要解決現(xiàn)存問題需要從以下幾個方面著手：

(1)積極開展有關氣敏半導體陶瓷材料基礎理論的研究。必須進一步深入地開展對上述各項的研究，才能從新的理論基礎上探討解決氣敏半導體陶瓷材料各種性能問題。

(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體陶瓷材料已實用化，但性能還有待進一步提高。

(3)積極開展多功能化、微型化、集成化氣敏半導體陶瓷元件的研制開發(fā)。今后氣敏半導體陶瓷元件的發(fā)展方向將是短，小、輕、薄型化。

氣敏陶瓷與濕敏陶瓷的區(qū)別

氣敏陶瓷是基于元件表面的氣體吸附和隨之產(chǎn)生的元件導電率的變化而設計。具體吸附原理為：當吸附還原性氣體時，此還原性氣體就把其電子給予半導體，而以正電荷與半導體相吸附著。進入到n型半導體內(nèi)的電子，束縛少數(shù)載流子空穴，使空穴與電子的復合率降低。這實際上是加強了自由電子形成電流的能力，因而元件的電阻值減小。與此相反，若n型半導體元件吸附氧化性氣體，氣體將以負離子形式吸附著，而將其空穴給予半導體，結果是使導電電子數(shù)目減少，而使元件電阻值增加。

濕敏陶瓷是當氣敏陶瓷界處吸附水分子時，由于水分子是一種強極性分子，其分子結構不不對稱。由于水分子不對稱，在氫原子一側必然具有很強的正電場，使得表面吸附的水分子可能從半導體表面吸附的O2-或O-離子中吸取電子，甚至從滿帶中直接俘獲電子。因此將引起晶粒表面電子能態(tài)變化，從而導致晶粒表面電阻和整個元件的電阻變化。

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

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℃），最適于檢測微量濃度氣體，對氣體的檢測是可逆的，吸附、解析時間短。ZnO氣敏陶瓷的氣體選擇性強。ZrO₂系氧氣敏感陶瓷是一種固體電解質(zhì)陶瓷的快離子導體。因ZrO₂固體中含有大量氧離子晶格空位，因此，造成氧離子導電 。

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

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℃)，最適于檢測微量濃度氣體，對氣體的檢測是可逆的，吸附、解析時間短。ZnO氣敏陶瓷的氣體選擇性強。ZrO₂系氧氣敏感陶瓷是一種固體電解質(zhì)陶瓷的快離子導體。因ZrO₂固體中含有大量氧離子晶格空位，因此，造成氧離子導電 。

氣敏陶瓷是基于元件表面的氣體吸附和隨之產(chǎn)生的元件導電率的變化而設計。具體吸附原理為:當吸附還原性氣體時，此還原性氣體就把其電子給予半導體，而以正電荷與半導體相吸附著。進入到n型半導體內(nèi)的電子，束縛少數(shù)載流子空穴，使空穴與電子的復合率降低。這實際上是加強了自由電子形成電流的能力，因而元件的電阻值減小。與此相反，若n型半導體元件吸附氧化性氣體，氣體將以負離子形式吸附著，而將其空穴給予半導體，結果是使導電電子數(shù)目減少，而使元件電阻值增加。

濕敏陶瓷是當氣敏陶瓷界處吸附水分子時，由于水分子是一種強極性分子，其分子結構不不對稱。由于水分子不對稱，在氫原子一側必然具有很強的正電場，使得表面吸附的水分子可能從半導體表面吸附的O^2-或O^-離子中吸取電子，甚至從滿帶中直接俘獲電子。因此將引起晶粒表面電子能態(tài)變化，從而導致晶粒表面電阻和整個元件的電阻變化 。