提到傳感器，相信大家應該都不會陌生，它能將溫度、壓力、濕度等物理量以電學信號的形式輸出，以達到讓工作人員、計算機等可以識別和記錄的目的。而氣體傳感器則是其中最重要的組成部分之一，在檢測有毒、易燃、易爆等氣體方面不可或缺。下面以半導體氣體傳感器為例，講述其發(fā)展及工作原理。

氣體傳感器的發(fā)展

20世紀70年代，來自荷蘭的科學家Bergveld發(fā)明了對氫離子響應的離子敏感場效應晶體管，這標志了離子敏感半導體傳感器的誕生。后來，人們發(fā)現(xiàn)金屬氧化物半導體在處于一些還原性和氧化性氣體中時，其電阻會隨著氣體濃度的不同而發(fā)生變化，由此引發(fā)了將半導體金屬氧化物應用于氣體傳感器中的研究熱潮。近年來，隨著研究的進一步深入，以ZnO、SnO2、Fe2O3等為代表的n型半導體和以NiO、Co3O4等為代表的p型半導體廣泛地出現(xiàn)在氣體傳感器的研究中，人們在此領(lǐng)域取得了豐碩的成果。

氣體傳感器的工作原理

以n型半導體制作的傳感器為例，當傳感器處于空氣中時，空氣中的氧會吸附在傳感器表面并捕獲材料內(nèi)的電子，這些氧分子在得到電子后會變?yōu)閹ж撾姾傻难蹼x子，同時，由于氧分子奪去了材料內(nèi)部的電子，因此會在傳感器表面形成電子耗盡層，因為n型半導體是以電子作為多數(shù)載流子參與導電過程的，所以此時的傳感器電阻較大。當還原性氣體（如乙醇、丙酮等）接觸傳感器時，這些氣體會與吸附在傳感器表面的氧離子進行反應，這時那些被氧捕獲的電子又重新回到材料內(nèi)部，使得傳感器的電阻變小。通過對傳感器在空氣中和待測氣體中電阻的變化幅度就可以對對應濃度的氣體進行檢測。

對于n型半導體來說，當注入還原性氣體時，其電阻會變小，因此在電阻變化圖中會看到凹下去的一段，當傳感器回到空氣氣氛中時，其電阻值變大，重新恢復到未注入氣體前的狀態(tài)（圖5左）。在計算傳感器的靈敏度時，文獻中大部分都采用空氣中傳感器的電阻值Ra與注入測試氣體后的電阻值Rg的比值，即靈敏度=Ra/Rg。

對于p型半導體制作的傳感器而言，其機理略有不同。因為p型傳感器中多數(shù)載流子為空穴，當吸附的氧捕獲材料內(nèi)的電子時，會使靠近傳感器表面的空穴相對濃度增加，形成空穴累積層，此時傳感器的電阻較小。當還原性氣體與之接觸后，由于測試氣體與吸附氧之間發(fā)生氧化還原反應，因此重新注入材料內(nèi)的電子會中和一部分空穴，使材料中多數(shù)載流子空穴濃度降低，因此傳感器的電阻會變大。

與n型半導體不同，當注入還原性氣體時，p型半導體的電阻會變大，因此在電阻變化圖中會看到凸起的一段，當傳感器回到空氣氣氛中時，其電阻值變小，重新恢復到未注入氣體前的狀態(tài)（圖6(a, c)）。在計算傳感器的靈敏度時，文獻中大部分都采用空氣中傳感器的電阻值Rg與注入測試氣體后的電阻值Ra的比值，即靈敏度= Rg / Ra。

從以上介紹可以看到，氣體傳感器已經(jīng)逐步發(fā)展為結(jié)構(gòu)簡單、材料來源豐富、價格低廉的常見器件，廣大研究工作者也在繼續(xù)朝著微型化、智能化的方向努力，相信不久的將來，氣體傳感器能夠更加深入人們的生活和生產(chǎn)之中，畢竟最好的科技就是讓人類在享受便利的同時忘記它的存在。

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