0 引言
现代工业的发展为人类创造出巨大的财富，交通运输的发展也给人们带来了很大的方便，然而所有这些在推动人类社会迅速发展的同时，带来的各种各样废气的排放也与日俱增。例如常见的SOx、NOx和HCl是燃料在燃烧过程中释放出来的，不但本身毒性很强，而且是造成酸雨的罪魁祸首；CO2是煤、石油等在燃烧过程中排放出来的无毒无味的气体，却是造成地球温室效应的主导因素；此外，在半导体制造、制冷剂消耗过程中释放出来的氟里昂具有破坏臭氧层的作用；H2S、NH3等气体不但气味难闻，而且有毒。这些废气对人类本身和生存的环境造成了不可忽视的危害，而且工业生产中使用的气体原料和在生产过程中产生的气体的种类和数量随着工业的发展也越来越多。这些废气中的有毒性气体和可燃性气体不仅污染环境，而且当浓度达到一定范围时，有可能会产生爆炸、发生火灾，更严重的是有些气体很可能有使人中毒的危险。

随着国民经济的快速发展，及时、准确的对可燃性气体进行监测、预报和自动控制已经成为煤炭、石油、化工、电力等部门亟待解决的重要课题。如果对可燃性气体不采用适当的手段加以监测、控制，极有可能会发生爆炸，并且将对人的生命和财产造成极大的危害。因此，适时、快速地监测空气中所含危险气体的种类、合理地控制空气中各种危险气体的浓度对人类的生存起着至关重要的作用。

传感器是以敏感器件为核心制成的能够响应、检测或转换待测信息的装置。敏感器件能够感知或检测某一形态的非电量信息(如压力、温度、光、磁性、气体、湿度、放射线、离子活度等)，并将其转换成电信号使之可以进行测量、控制及信息处理。目前常见的传感器材料有半导体材料、陶瓷材料和金属材料，但这些材料相对于颗粒尺寸仅在1-100nm范围内的纳米材料，其颗粒尺寸较大。由于近年来纳米材料的研究突飞猛进，再加上纳米材料特有的物理化学性质，以纳米材料为元件制成的气敏传感器其气敏原料分布均匀、一致性好，能够对不同的气体作出选择，且响应快、恢复时间短、灵敏度高、长期稳定性好、性能优异，克服了传统半导体气体传感器的缺点，所以具有广阔的应用前景。

1 纳米气敏传感器
1962年，ZnO半导体气敏元器件的研制成功，特别是1968年SnO2系列气敏元器件的商品化，促使人们不断去寻找新的半导体气敏材料。可用于气体检测的半导体材料很多，但目前应用最为广泛的半导体气敏材料是ZnO系、SnO2系以及ZnO系和SnO2系的复合材料。这三种气敏材料由于具有灵敏度高、结构简单、使用方便、价格便宜等优点，得到了迅速发展和广泛的应用。

1.1 ZnO系气敏传感器
ZnO属于N型半导体材料，其纳米化后，比表面积随着颗粒尺寸的下降而急剧扩大，其活性也迅速提高，从而能大大提高ZnO的吸附量，极大地改善其气敏性能，使其在气体检测过程中具有更高的准确性和稳定性。

近年来，关于纳米ZnO气敏传感器的研究层出不穷，这些研究旨在提高其气敏性能。研究者采用不同的方法，制备不同形态和大小的ZnO材料，尤其是对形貌、成分不同的ZnO颗粒提高其气敏性能方面作了大量的工作。Heo等人研究了ZnO纳米线的制备、性质、测试及在N2中不同浓度H2和乙烯的气敏性能[1]。Gao等人把分析纯的Zn粉用离子水或0.1M的NiSO2搅拌分散后，过滤干燥，在管式炉中920℃加热1h得到四针状和多针状纳米ZnO，测试对比了两者对无水乙醇的敏感性能，发现多针态纳米ZnO的气敏性能优于四针状纳米ZnO[2]。Tang等人用催化氧化法获得了ZnO类四角锥体，其直径约30nm，长度可达几百纳米[3]。沈茹娟等以酒石酸和乙二胺四乙酸为原料，分别与醋酸锌进行固相反应，制得前驱化合物，进而热分解得到ZnO纳米粉体，并进一步测试了ZnO纳米粉体在不同工作温度下对乙醇、氨气、液化石油气的灵敏度[4]。

范新会等在关于纳米ZnO气敏传感器的研究方面，也取得了不少的成果。其中包括：随着烧结温度的升高，ZnO纳米线互相联结、长大，使其比表面积迅速减小，进而影响了气敏元件感应乙醇气体的性能，发现ZnO纳米线气敏元件的理想烧结温度为500℃[5]。通过紫光激发对ZnO纳米线氨气气敏性能的研究发现：在紫光激发条件下，ZnO纳米线氨气气敏性能有很大程度的提高，对氨气的灵敏度提高了353%，响应时间和恢复时间分别缩短了4s和1s[6]。

除此之外，还有人采用加入其它物质的方法来提高ZnO的气敏性能。Shinde等人采用湿化学处理多次提拉的方法在ZnO薄膜表面形成Pd敏化层，对液化石油气（LPG）进行敏感性实验。结果表明：在掺杂PdCl2溶液后，对所检测的LPG有最高的灵敏度[7]。Wang等人以ZnO粉末为原料掺入多种质量分数的纳米WO3，经不同温度烧结制成ZnO-WO3气敏元件，认为掺杂质分数为30％的WO3的敏感材料对乙醇的灵敏度最高[8]。爱尔兰的利默尼里克大学K.Arshak等研究了ZnFe2O4/ZnO和聚合物复合薄膜对酒精蒸汽的气敏特性，研究发现摩尔百分比为60/40的ZnFe2O4/ZnO复合物，其薄膜在室温下对酒精蒸汽的灵敏度随酒精浓度的增加而增加，并表现出较好的灵敏度[9]。意大利的M.Penza研究了LiTaO3压电衬底上ZnO与单壁CNT（碳纳米管）构成的复合薄膜所制备的声表面波传感器对H2、NH3和NO2等三种气体的气敏特性，结果表明此复合薄膜在室温下具有很高的灵敏度和良好的重复性[10]。印度的D.R.Patil研究了CuO修饰的ZnO厚膜的对Cl2的气敏特性，研究发现室温下厚膜可探测到300ppm的Cl2，且响应恢复时间分别为18s和50s[11]。

1.2 SnO2系纳米气敏传感器
SnO2是研究较早且最为重要的一种气敏材料，制备SnO2气敏粉料的细颗粒粒径要求在0.5μm以下，添加少量其它材料，即可制成检测多种易燃、易爆及有毒或有害气体的SnO2气敏元件。纳米SnO2气敏元件利用纳米超微粒子材料的高活性表面效应，当材料微粒细化到小于100nm后，粒子表面上的原子所占的比例急剧增大，其表面和界面原子所占的比例可达材料总原子数的15-50%。材料比表面积增大时，活性位增多，因而具有优异的气敏性能，可以满足气敏传感器灵敏度高、选择性大、使用温度低、检测范围宽等要求。

纳米SnO2粒子的制备主要有液相和气相两大技术类别。液相技术制成的粉体可在几个至数百纳米范围内变化，其中用浮液法制备出6-10nm的SnO2气敏材料，灵敏度可提高5-30倍；气相技术多用于薄膜纳米材料的制备，颗粒尺寸仅为几个纳米，已制备的纳米薄膜多达十几种，可分别检测数种气体。比如当SnO2气敏膜厚度为15-80μm时，只对CH4有很好的响应，而50-300nm的纳米气敏薄膜却能对NO2，尤其是对O3有很好的气敏响应[12]。

赵鹤云采用微乳液法制备了一维纳米材料前驱体，在熔盐中生长制备出了SnO2纳米棒一维纳米材料。随着晶体生长温度的升高和时间的延长，可获得直径为5nm-100nm，长度从几百纳米到10μm的SnO2纳米棒单晶体。这种SnO2纳米棒结构完整，表面光滑。在气体环境中，整根SnO2一维纳米棒都暴露在检测气氛中，气体接触充分，与气体的反应面积大，反应速度增大。因此，可以加快传感器与探测气体的反应速度，有助于提高传感器的响应速度和恢复速度[13]。

1.3 ZnO系和SnO2系的复合纳米气敏传感器
近年来国内外的科研工作者开始研究复合纳米材料的气敏特性，取得了不错的成绩。J.Tamaki等人通过丝网印刷和烧结制备了SnO2-ZnO及SnO2-ZnO-CuO气敏厚膜，对H2S的气敏性能测试表明纯SnO2、SnO2-ZnO、SnO2-ZnO-CuO三者的敏感度依次上升[14]。韩国的Ki-Won Kim等利用溶胶法交替沉积SnO2和ZnO薄膜并研究了复合薄膜对C2H5OH的气敏选择性，结果表明在工作温度为300℃，C2H5OH浓度为200ppm时，复合薄膜对C2H5OH的灵敏度为4.69，但是对100ppm的C3H8，200ppm的H2和5ppm的NO2的灵敏度都比较低[15]。

2 结束语
在气敏传感器研制领域，人们一般认为理想的气敏传感器应该具有如下条件：（1）选择性好，即能选择性地检测某种单一气体，而其他的气体不响应或低响应；（2）灵敏度高，即对被测气体具有较高的灵敏度；（3）长期工作稳定性好；（4）响应速度快；（5）使用寿命长；（6）制造成本低，使用与维护方便[16]。

综上所述，目前关于氧化物系列纳米材料气敏传感器的研究取得了一定的成绩和进展，但是还没有哪一种气敏材料比较接近理想气敏传感器。由于物质结构存在一定的差异，一般来说纳米气敏传感器不是选择性不好，就是灵敏度比较低，又可能稳定性比较差、响应速度慢，凡此种种，总是不尽人意。但是总体来讲，单一氧化物系列的传感器比复合传感器的总体性能要差一些。所以今后气敏传感器的主要研究方向是研制具有高灵敏度、高选择性和良好稳定性的高性能复合传感器。

参考文献
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