气敏陶瓷

由来

　　人们在研制试验各种陶瓷时，发现半导体陶瓷作为气敏材料的灵敏度非常高。如薄膜状氧化锌气敏材料可检测氢气、氧气、乙烯和丙烯气体；以铂作催化剂时可检测乙烷和丙烷等烷烃类可燃性气体；氧化锡气敏材料可检测甲烷、乙烷等可燃性气体。氧化铱系材料是测氧分压最常用的敏感材料。

　　此外，氧化铁、氧化钨、氧化铝、氧化铝等氧化物都有一定的气敏特性。它们通过有选择地吸附气体，使半导体的表面能态发生改变，从而引起电导率的变化，以此确定某种未知气体及其浓度。目前探测诸如一氧化碳、酒精、煤气、苯、丙烷、氢、二氧化硫等气体的气敏陶瓷已经获得了成功。

　　半导体陶瓷气敏材料在工业上有着极为广阔的应用前景。如对煤矿开采中的瓦斯进行控制与检测，对煤气输送和化工生产中管道气体泄漏进行监测等。

分类

　　气敏陶瓷通常分为半导体式和固体电解质式两大类。

　　按制造方法又分为烧结型、厚膜型和薄膜型。

　　制造方法又分为烧结型、厚膜型和薄膜型。

　　按材料成分分为金属氧化物系列（ ZnO、材料成分分为金属氧化物系列（SnO2、ZnO和复合氧化物系列(通式为ABO Fe2O3、ZrO2)和复合氧化物系列(通式为ABO3)。

原理

　　半导体气敏陶瓷的导电机理主要有能级生成理论和接触粒界势垒理论。按能级生成理论，当SnO2、ZnO等N型半导体陶瓷表面吸附还原性气体时，气体将电子给予半导体，并以正电荷与半导体相吸，而进入N型半导体内的电子又束缚少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，增大电子形成电流的能力 ，使陶瓷电阻值下降；当N型半导体陶瓷表面吸附氧化性气体时，气体将其空穴给予半导体，并以负离子形式与半导体相吸， 而进入N型半导体内的空穴使半导体内的电子数减少，因而陶瓷电阻值增大。接触粒界势垒理论则依据多晶半导体能带模型，在多晶界面存在势垒，当界面存在氧化性气体时势垒增加，存在还原性气体时势垒降低，从而导致阻值变化。

　　常用的气敏陶瓷材料有SnO2、ZnO和ZrO2。SnO2气敏陶瓷的特点是灵敏度高，且出现灵敏度的温度Tm较低（约300℃），最适于检测微量浓度气体，对气体的检测是可逆的，吸附、解析时间短。ZnO气敏陶瓷的气体选择性强。ZrO2系氧气敏感陶瓷是一种固体电解质陶瓷的快离子导体。因ZrO2固体中含有大量氧离子晶格空位，因此，造成氧离子导电。

发展方向

　　从现在的水平来看，半导体气敏陶瓷元件的灵敏度高，有利于实现快速，连续及自动测量，结构及工艺简单、方便、价廉。缺点是稳定性、互换性不好，对不同气体分辨力差，在低温，常温条件下工作问题还有待．进一步解决，不易实现定量检测等。要解决现存问题需要从以下几个方面着手：

　　(1)积极开展有关气敏半导体陶瓷材料基础理论的研究。必须进一步深入地开展对上述各项的研究，才能从新的理论基础上探讨解决气敏半导体陶瓷材料各种性能问题。

　　(2)提高材料的性能，积极寻找新材料。目前，氧化锡系、氧化锌系，氧化铁系等气敏半导体陶瓷材料已实用化，但性能还有待进一步提高。

　　(3)积极开展多功能化、微型化、集成化气敏半导体陶瓷元件的研制开发。今后气敏半导体陶瓷元件的发展方向将是短，小、轻、薄型化。

与湿敏陶瓷的区别

　　气敏陶瓷是基于元件表面的气体吸附和随之产生的元件导电率的变化而设计。具体吸附原理为：当吸附还原性气体时，此还原性气体就把其电子给予半导体，而以正电荷与半导体相吸附着。进入到n型半导体内的电子，束缚少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低。这实际上是加强了自由电子形成电流的能力，因而元件的电阻值减小。与此相反，若n型半导体元件吸附氧化性气体，气体将以负离子形式吸附着，而将其空穴给予半导体，结果是使导电电子数目减少，而使元件电阻值增加。

　　湿敏陶瓷是当气敏陶瓷晶粒界处吸附水分子时，由于水分子是一种强极性分子，其分子结构不不对称。由于水分子不对称，在氢原子一侧必然具有很强的正电场，使得表面吸附的水分子可能从半导体表面吸附的O2-或O-离子中吸取电子，甚至从满带中直接俘获电子。因此将引起晶粒表面电子能态变化，从而导致晶粒表面电阻和整个元件的电阻变化。