气体传感器的发展及工作原理

提到传感器，相信大家应该都不会陌生，它能将温度、压力、湿度等物理量以电学信号的形式输出，以达到让工作人员、计算机等可以识别和记录的目的。而气体传感器则是其中最重要的组成部分之一，在检测有毒、易燃、易爆等气体方面不可或缺。下面以半导体气体传感器为例，讲述其发展及工作原理。

气体传感器的发展

20世纪70年代，来自荷兰的科学家Bergveld发明了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，这标志了离子敏感半导体传感器的诞生。后来，人们发现金属氧化物半导体在处于一些还原性和氧化性气体中时，其电阻会随着气体浓度的不同而发生变化，由此引发了将半导体金属氧化物应用于气体传感器中的研究热潮。近年来，随着研究的进一步深入，以ZnO、SnO2、Fe2O3等为代表的n型半导体和以NiO、Co3O4等为代表的p型半导体广泛地出现在气体传感器的研究中，人们在此领域取得了丰硕的成果。

气体传感器的工作原理

以n型半导体制作的传感器为例，当传感器处于空气中时，空气中的氧会吸附在传感器表面并捕获材料内的电子，这些氧分子在得到电子后会变为带负电荷的氧离子，同时，由于氧分子夺去了材料内部的电子，因此会在传感器表面形成电子耗尽层，因为n型半导体是以电子作为多数载流子参与导电过程的，所以此时的传感器电阻较大。当还原性气体（如乙醇、丙酮等）接触传感器时，这些气体会与吸附在传感器表面的氧离子进行反应，这时那些被氧捕获的电子又重新回到材料内部，使得传感器的电阻变小。通过对传感器在空气中和待测气体中电阻的变化幅度就可以对对应浓度的气体进行检测。

对于n型半导体来说，当注入还原性气体时，其电阻会变小，因此在电阻变化图中会看到凹下去的一段，当传感器回到空气气氛中时，其电阻值变大，重新恢复到未注入气体前的状态（图5左）。在计算传感器的灵敏度时，文献中大部分都采用空气中传感器的电阻值Ra与注入测试气体后的电阻值Rg的比值，即灵敏度=Ra/Rg。

对于p型半导体制作的传感器而言，其机理略有不同。因为p型传感器中多数载流子为空穴，当吸附的氧捕获材料内的电子时，会使靠近传感器表面的空穴相对浓度增加，形成空穴累积层，此时传感器的电阻较小。当还原性气体与之接触后，由于测试气体与吸附氧之间发生氧化还原反应，因此重新注入材料内的电子会中和一部分空穴，使材料中多数载流子空穴浓度降低，因此传感器的电阻会变大。

与n型半导体不同，当注入还原性气体时，p型半导体的电阻会变大，因此在电阻变化图中会看到凸起的一段，当传感器回到空气气氛中时，其电阻值变小，重新恢复到未注入气体前的状态（图6(a, c)）。在计算传感器的灵敏度时，文献中大部分都采用空气中传感器的电阻值Rg与注入测试气体后的电阻值Ra的比值，即灵敏度= Rg / Ra。

从以上介绍可以看到，气体传感器已经逐步发展为结构简单、材料来源丰富、价格低廉的常见器件，广大研究工作者也在继续朝着微型化、智能化的方向努力，相信不久的将来，气体传感器能够更加深入人们的生活和生产之中，毕竟最好的科技就是让人类在享受便利的同时忘记它的存在。

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