氣敏陶瓷，可被用作檢測氣體的人工“鼻子”

氣敏材料是一種新型功能材料，當其接觸特定的氣體物質時，這些材料的物理或化學性質就會發生較為顯著的變化。

利用此種現象，人們可以透過這類敏感材料來檢測特定的氣體成分，而氣敏陶瓷材料就屬於其中的一種。

#什麼是氣敏陶瓷？

氣敏陶瓷

，亦稱氣敏半導體，是用於吸收某種氣體後電阻率發生變化的一種功能陶瓷，

屬於一類對氣體敏感的半導體材料

。它是用二氧化錫等材料經壓制燒結而成的，對許多氣體反應十分靈敏，可應用於氣敏檢測儀等裝置進行自動報警。

對氣敏陶瓷的研究始於科學家發現Cu2O的電導管隨水蒸氣吸附而改變的現象。日美等國首先對SnO2、ZnO半導體陶瓷氣敏元件進行實用性研究，最先在薄膜氣敏材料方面取得了突破。

隨著薄膜

生產技術

的革新，以及現代社會對易燃、易爆、有毒氣體的檢測、控制提出了越來越高的要求，出現了

燒結型、厚膜型和薄膜型

三種氣敏陶瓷型別。

#典型的氣敏陶瓷種類

氣敏陶瓷的種類很多，基本上都是金屬氧化物。下面就幾種常見的半導體氣敏陶瓷和固體電解質氣敏陶瓷作簡要介紹：

（1） SnO2系氣敏陶瓷

是最常見的氣敏材料之一，它是以SnO2為基本材料，加入催化劑、粘結劑等，按照常規的陶瓷工藝方法制成的。用

SnO2

氣敏陶瓷做成的氣敏元件具有以下優點：

①靈敏度高且出現最高靈敏度的溫度Tm較低。

②元件阻值變化與氣體濃度呈指數關係

，在低濃度範圍內，這種變化十分明顯，因此對微量低濃度氣體檢測非常適宜。

③物理化學穩定性好，耐腐蝕，壽命長。

④對氣體的檢測是可逆的，而且吸附、解吸時間短。

⑤元件結構簡單，成本低，可靠性高，耐振動和衝擊性能好。

⑥氣體檢測不需複雜裝置，待檢測氣體可透過氣敏元件電阻值的變化直接轉化成訊號，且阻值變化大，可用簡單電路實現測量。

SnO2對許多可燃性氣體如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮或芳香族氣體都有相當高的靈敏度

，因而SnO2氣敏元件對不同氣體的選擇性較差。

（2） ZnO系氣敏陶瓷

ZnO系氣敏陶瓷元件最突出的優點是氣體選擇性強，與SnO2元件一樣，都用貴金屬催化劑提高其靈敏度，但ZnO氣敏元件的結構與SnO2元件不同，它是把元件製成雙層，將半導體氣敏材料與催化物分離，並借更換催化劑的方法來提高元件的氣體選擇特性。

ZnO氣敏陶瓷元件雖然工作溫度高，但由於其對氣體的選擇性較好，還是受到廣泛的重視。為了提高ZnO氣敏元件的靈敏度，除更換催化劑層的方法外，還可在ZnO母體中加入適量的催化劑。研究表明，ZnO氣敏元件對各種氣體的靈敏度與催化劑的種類有關，這說明可以透過改變催化劑層或摻雜來獲得對不同氣體的選擇性的可能性。

加Ag的ZnO氣敏元件對乙醇、苯和煤氣也比較靈敏，且成本低。

另外，向ZnO中加入Cr2O3，可使ZnO氣敏元件達到初始穩定狀態所需時間和恢復時間縮短，且初始加熱通電後的電阻值下降較少，提高了可靠性和長時間穩定性。

（3） Fe2O3系氣敏陶瓷

Fe2O3氣敏元件是體控型氣敏元件，主要有兩種晶型，即γ-Fe2O3和α-Fe2O3。

Fe2O3系氣敏陶瓷最大的特點是不用貴金屬作催化劑，也可以得到較高的靈敏度，在高溫下熱穩定性好。

γ-Fe2O3氣敏元件於1978年研製成功，適合的工作溫度約為400~420℃。其對丙烷很靈敏，但對甲烷不靈敏。

α-Fe2O3氣敏元件於1981年研製成功，α-Fe2O3化學穩定性很高，所以基於其本身來說對於一般氣體是不敏感的，但是利用特殊工藝可製成晶粒尺寸小到0。05~0。2μm，而且氣孔率高達65%的多孔α-Fe2O3燒結體，由此可獲得高靈敏度和快速的響應特性。α-Fe2O3氣敏元件對甲烷乃至異丁烷都非常靈敏，對水蒸氣和乙醇等卻不靈敏，可作為可燃氣體報警器特別適用，不會因為水蒸氣及酒精的影響而誤報。

（4） ZrO2系氧氣敏感陶瓷

ZrO2系氧氣敏感陶瓷是一種稱作固體電解陶瓷的快離子導體。其中含有大量氧離子晶格空位，因此造成氧離子導電。當ZrO2固體電解質兩側氧氣的分壓不同時，在電解質兩側的透氧Pt電極與ZrO2固體電解質之間，構成了氧氣濃差電池。

目前，ZrO2系氧氣敏感陶瓷已被應用在以下幾個方面：如用於

汽車氧感測器

，以輸出訊號來調節空燃比為某固定值，起到淨化排氣和節能的作用；

用於熔銅（鋼）液中氧含量快速分析、工業廢水汙濁程度測量、氫-氧燃料電池等。

（5） 其他氣敏陶瓷

①複合氧化物系

這是一類鈣鈦礦型的稀土族過渡金屬氧化物，主要特點是對乙醇有很高的靈敏度。

②氧化釩系

在對V2O5中摻Ag的Ag0。04V2O5對N

O2

的靈敏度很高，而對H2、CO、NH3、SO2、異丁烷等氣體幾乎沒有反應，因而對檢測氧化氮一類氣體來說是一種選擇性很好的氣敏材料。

③氧化鎳、氧化鈷系

這是一類ρ型半導體，在氧分壓增加時，電導率下降。用它來測量氧氣分壓的變化比使用 n 型半導體SnO2、ZnO等材料更為有利。為了迅速達到熱平衡，工作溫度在1000℃以上，適合在諸如控制汽車發動機空燃比等場合下使用。

#氣敏陶瓷製作的“電子鼻”

如今的氣敏陶瓷可分辨氫氣、一氧化碳、氟利昂、苯等約100多種氣體。當空氣中佔十萬分之一到百萬分之一的濃度，就可被它偵查出來。因此，用氣敏陶瓷製作的電子鼻，應用就十分廣泛。

①可用在氣體檢測方面。

例如煤氣管道是否漏氣、化工廠易燃易爆、有毒氣體是否漏氣等。

②可用作賓館、飯店的火警報警器。

原理是著火後都會產生二氧化碳，其濃度超過正常值範圍內就會觸發報警器，發出鈴聲或用自動電話通知服務檯及時滅火。

③還能參與禁毒行動。

已有研究人員發明出一種可以檢查海洛因、鴉片、大麻等毒品的電子鼻，這種產品的靈敏度很高，能像雷達監測器一般判定包裹是否存在毒品。

#展望

氣敏陶瓷的研究還在深入，正朝著多功能（如熱敏、氣敏和溼敏）、整合化方向發展，它是在同一塊 IC 基片子上整合多種超微粒子氣敏材料。

除了上述發展外，主要在於提高選擇性、穩定性、可靠性、生產均一性以及定溫檢測能力；在基礎理論研究方面，著重於表面態、表面物理化學反應、催化理論等研究。此外，應開展新材料的探索、改革傳統工藝方面的工作。