半导体气体传感器

半导体气体传感器利用半导体与气体接触时电阻或功函数发生变化这一特性检测气体，分为电阻式与非电阻式两种。电阻式半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应时使其某些特性发生变化对气体进行直接或间接的检测[6-12]。

电阻式采用SnO2、ZnO等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、厚膜、薄膜等形式。根据半导体与气体的相互作用是发生在表面还是体内，又分为表面控制型与体控制型。表面控制型电阻式传感器包括SnO2系传感器、ZnO系传感器、其他金属氧化物（WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等）材料的传感器和采用有机半导体材料的传感器。体控制型电阻式传感器包括Fe2O3系传感器、ABO3型（ABO3表示钙钛矿型氧化物）传感器和燃烧控制用传感器。这类传感器可检测甲烷、丙烷、氢、一氧化碳等还原性气体，氧、二氧化氮等氧化性气体，具有强吸附力的胺类和水蒸汽等。

电阻式半导体气体传感器有n型和p型之分。n型气体传感器对还原性气体有响应；而p型气体传感器对氧化性气体有响应。SnO2、ZnO、TiO2等金属氧化物半导体气敏材料属于n型半导体，其表面在空气中吸附氧分子，并从半导体表面获得电子而形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使表面电阻增加。当还原性气体（如氢气、甲烷等）作为待测气体与传感器表面接触，原来吸附的氧与还原性气体反应释放出电子，从而使传感器电子密度增加，电阻值下降。解析时，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值恢复到初始状态。这就是电阻式半导体气体传感器检测可燃气体的基本原理。

非电阻式气体传感器利用气体吸附和反应时引起的功函数变化来检测气体。它可分为金属-半导体结二极管型传感器（利用金属与半导体界面上吸附气体时，二极管整流特性的变化）、MOS二极管型传感器（采用MOS结构，通过C-V特性的漂移检测气体）和MOS FET型传感器（通过MOS FET的阈值电压变化检测气体）。

半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、使用简单的特点，可用于可燃气体防爆报警器，CO、H2S等有毒气体的监测器。此外这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测的需求。通过稳定性研究，一些传感器可用于气体浓度的定量监测。半导体气体传感器在防灾、环境保护、节能、工程管理、自动控制等方面有广泛的应用。

但半导体气体传感器稳定性较差，受环境影响较大；尤其是每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。因此，它不宜应用于要求计量准确的场所。另外，半导体气体传感器还需要在高温下工作，加热温度一般为200℃～400℃，因此每次使用前都需预热几个小时。

目前这种传感器的主要供应商在日本（发明者），其次是中国，最近又新加入了韩国，其他国家如美国在这方面也有相当的工作，但是始终没有汇入主流。中国在这个领域投入的人力和时间都不亚于日本，但是由于多年来国家政策导向以及社会信息闭塞等原因，我国流行于市场的半导体式气体传感器性能质量都远逊于日本产品。相信随着市场进步，民营资本的进一步兴起，中国产的半导体式气体传感器达到和超越日本水平已经指日可待。