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摘要：半导体气体传感器于1962年问世，在此后的三四十年期间得到迅速发展，尤其是随着纳米技术的进步，纳米半导体气体传感器引起人们诸多关注。本文旨在梳理纳米半导体气体传感器基本检测原理，并从灵敏度、选择性、响应速度三个方面对其发展脉络进行归纳总结。
关键词：半导体气体传感器；纳米材料；灵敏度；选择性
一、引言
随着人类环保意识的增强，环境污染物的检测变得愈发重要。有毒有害气体是重要的一类环境污染物，因此，发展灵敏快速的气体检测方法在工业生产和人类日常生活中具有十分重要的意义。
气体检测方法种类繁多，半导体气体传感器自20世纪60年代问世以来，由于其灵敏度高、响应速度快的优点，得到迅速发展。该类传感器作用原理是利用金属氧化物作为气敏材料，当金属氧化物气敏材料与被测气体接触时，其阻值将会随气体浓度变化而变化，从而将气体浓度信号转化为电信号。半导体气体传感器从制造工艺来讲可以分为以下三类：
1. 烧结型
烧结型半导体气体传感器是指将金属氧化物气敏材料制备完成后，涂覆在电极上，在一定温度下烧结、老化而成的半导体气体传感器。该类传感器利用陶瓷管作为半导体气敏材料载体，能够将加热回路和测试回路隔绝从而减小干扰。
2. 薄膜型
薄膜型半导体气体传感器是指将金属氧化物气敏材料覆盖在平面型的衬底片上所形成的半导体气体传感器。
3. 厚膜型
厚膜型半导体气体传感器是将半导体氧化物气敏材料与一定质量的硅凝胶混合而制成能印刷的厚膜胶，然后利用丝网印刷将厚膜胶安装到带有测试电极的绝缘基底上，再经烧结制成。此类半导体气体传感器结构紧凑、机械强度高，更为适合大批量生产。
二、纳米半导体气体传感器
半导体气体传感器于1962年问世，在此后的三四十年期间，整体结构上的改进是半导体气体传感器的主要发展脉络，逐渐从最初的烧结型半导体气体传感器发展为烧结型、薄膜型、厚膜型等多种传感器结构共同发展的局面。随着纳米技术的迅速发展，人们将金属氧化物纳米材料目光转向气体传感器领域，纳米半导体气体传感器由此出现。
纳米半导体气体传感器从结构上讲主要可以分为四个部分，分别是：衬底、加热电极、敏感电极以及气敏材料。其中，核心部件毫无以为是气敏材料，其性能直接决定传感器的优劣，而衬底、加热电极、敏感电极的技术则发展的较为成熟。从纳米颗粒首次被应用于半导体气体传感器领域开始，越来越多的纳米材料被开发并应用于气敏材料制作，并逐渐出现了二元、三元纳米材料复合物用以提高传感器性能。
三、纳米半导体气体传感器的发展
灵敏度、选择性、响应速度是考核传感器品质优劣的重要指标，对于纳米半导体气体传感器来说也不例外。
3.1 灵敏度的提高
灵敏度是半导体气体传感器的第一指标。1997年，DE19744857A首次提出将二氧化钛纳米颗粒作为气敏材料涂层，用于对二氧化碳气体的检测，提高了二氧化碳检测灵敏度。
2001年，DE10118200A首次将碳纳米管引入半导体气体传感器。与传统薄膜型半导体气体传感器不同，该项技术利用了碳纳米管高长径比的特点，直接利用碳纳米管自身的长度来连接金属电极。具体原理是：通过设置水平方向的上下两个金属电极片，然后将碳纳米管将两个金属电极片连接起来构成纳米半导体气体传感器来对二氧化氮进行检测，很大程度提高了检测灵敏度。
除了单一的纳米材料，发明者逐渐把目光投向复合纳米材料。US2008/0317636A1发明了一种碳纳米管复合纳米颗粒的气敏材料，在碳纳米管内壁或外壁上覆盖金属或金属氧化物纳米颗粒，通过纳米管/纳米颗粒复合材料制备，极大提高了气敏材料比表面积，提高检测灵敏度。
从基于纳米材料的半导体气体传感器诞生起，该类传感器灵敏度的提高极大程度上依赖于新型纳米材料的研制，将比表面积更大的纳米材料应用于半导体气体传感器的气敏层到目前仍然是提高灵敏度的发明侧重点。
3.2 选择性的提高
选择性是气体传感器的另一个重要指标。在实际检测过程中，待测气体通常与其他气体混合在一起，如果半导体气体传感器的选择性差，则容易受到其他气体的干扰而影响檢测结果的准确性。
气体传感器最初的选择性纯粹依赖于单一气敏材料对何种待测气体具有更好的响应，这种传感器设计导致了选择性的不可控，必然也就不能满足越来越高的气体检测标准。
JP特開2008-216083于2007年提出将碳纳米管外修饰烷基，用于提高对有机分子气体的选择性，KR10-2011-0100361在碳纳米管外壁沉积多种金属纳米颗粒用于提高气体选择性。CN101144789A也发展了一种甲醛气敏材料，通过制备SnO2-TiO2二元纳米复合材料作为气敏层，并在其中引入质量分数为2%-5%的Cd2+，提高了对甲醛气体的选择性，结果表明该气敏材料能够有效分辨苯、甲苯、二甲苯、氨等气体对甲醛的干扰。
3.3 响应速度的提高
在具有高灵敏度和选择性的基础上，提高响应速度也是气体传感器改进的重要目标。
KR10-0895258对传感器电极进行了改进用以提高响应速度，通过在硅基底的上下面上分别设置漏极（drain electrode）和栅电极（gate electrode）来提供栅电压脉冲用于提高传感器的响应速度。
除了对传感器自身结构进行改进的方式，通过调整传感器工作环境也能够提高响应速度。CN101135659A制备了一种Ga2O3纳米线气体传感器，该纳米材料具有较低电导率，在使用过程中，利用紫外光照快速产生电子-空穴对产生和再结合，从而使载流子浓度可以通过光很快地进行大幅度调节从而提高传感器响应速度。
四、小结
尽管半导体气体传感器历史悠远、应用广泛，但基于纳米材料的半导体气体传感器仍然是新生力量、方兴未艾。纳米材料的兴起让半导体气体传感器灵敏度和选择性有了很大的提升。开发高比表面积纳米材料、选择不同种类、不同形貌的纳米材料掺杂、配合来提高选择性仍是发展高性能传感器的重要研究方向。
关键词：半导体气体传感器；纳米材料；灵敏度；选择性
一、引言
随着人类环保意识的增强，环境污染物的检测变得愈发重要。有毒有害气体是重要的一类环境污染物，因此，发展灵敏快速的气体检测方法在工业生产和人类日常生活中具有十分重要的意义。
气体检测方法种类繁多，半导体气体传感器自20世纪60年代问世以来，由于其灵敏度高、响应速度快的优点，得到迅速发展。该类传感器作用原理是利用金属氧化物作为气敏材料，当金属氧化物气敏材料与被测气体接触时，其阻值将会随气体浓度变化而变化，从而将气体浓度信号转化为电信号。半导体气体传感器从制造工艺来讲可以分为以下三类：
1. 烧结型
烧结型半导体气体传感器是指将金属氧化物气敏材料制备完成后，涂覆在电极上，在一定温度下烧结、老化而成的半导体气体传感器。该类传感器利用陶瓷管作为半导体气敏材料载体，能够将加热回路和测试回路隔绝从而减小干扰。
2. 薄膜型
薄膜型半导体气体传感器是指将金属氧化物气敏材料覆盖在平面型的衬底片上所形成的半导体气体传感器。
3. 厚膜型
厚膜型半导体气体传感器是将半导体氧化物气敏材料与一定质量的硅凝胶混合而制成能印刷的厚膜胶，然后利用丝网印刷将厚膜胶安装到带有测试电极的绝缘基底上，再经烧结制成。此类半导体气体传感器结构紧凑、机械强度高，更为适合大批量生产。
二、纳米半导体气体传感器
半导体气体传感器于1962年问世，在此后的三四十年期间，整体结构上的改进是半导体气体传感器的主要发展脉络，逐渐从最初的烧结型半导体气体传感器发展为烧结型、薄膜型、厚膜型等多种传感器结构共同发展的局面。随着纳米技术的迅速发展，人们将金属氧化物纳米材料目光转向气体传感器领域，纳米半导体气体传感器由此出现。
纳米半导体气体传感器从结构上讲主要可以分为四个部分，分别是：衬底、加热电极、敏感电极以及气敏材料。其中，核心部件毫无以为是气敏材料，其性能直接决定传感器的优劣，而衬底、加热电极、敏感电极的技术则发展的较为成熟。从纳米颗粒首次被应用于半导体气体传感器领域开始，越来越多的纳米材料被开发并应用于气敏材料制作，并逐渐出现了二元、三元纳米材料复合物用以提高传感器性能。
三、纳米半导体气体传感器的发展
灵敏度、选择性、响应速度是考核传感器品质优劣的重要指标，对于纳米半导体气体传感器来说也不例外。
3.1 灵敏度的提高
灵敏度是半导体气体传感器的第一指标。1997年，DE19744857A首次提出将二氧化钛纳米颗粒作为气敏材料涂层，用于对二氧化碳气体的检测，提高了二氧化碳检测灵敏度。
2001年，DE10118200A首次将碳纳米管引入半导体气体传感器。与传统薄膜型半导体气体传感器不同，该项技术利用了碳纳米管高长径比的特点，直接利用碳纳米管自身的长度来连接金属电极。具体原理是：通过设置水平方向的上下两个金属电极片，然后将碳纳米管将两个金属电极片连接起来构成纳米半导体气体传感器来对二氧化氮进行检测，很大程度提高了检测灵敏度。
除了单一的纳米材料，发明者逐渐把目光投向复合纳米材料。US2008/0317636A1发明了一种碳纳米管复合纳米颗粒的气敏材料，在碳纳米管内壁或外壁上覆盖金属或金属氧化物纳米颗粒，通过纳米管/纳米颗粒复合材料制备，极大提高了气敏材料比表面积，提高检测灵敏度。
从基于纳米材料的半导体气体传感器诞生起，该类传感器灵敏度的提高极大程度上依赖于新型纳米材料的研制，将比表面积更大的纳米材料应用于半导体气体传感器的气敏层到目前仍然是提高灵敏度的发明侧重点。
3.2 选择性的提高
选择性是气体传感器的另一个重要指标。在实际检测过程中，待测气体通常与其他气体混合在一起，如果半导体气体传感器的选择性差，则容易受到其他气体的干扰而影响檢测结果的准确性。
气体传感器最初的选择性纯粹依赖于单一气敏材料对何种待测气体具有更好的响应，这种传感器设计导致了选择性的不可控，必然也就不能满足越来越高的气体检测标准。
JP特開2008-216083于2007年提出将碳纳米管外修饰烷基，用于提高对有机分子气体的选择性，KR10-2011-0100361在碳纳米管外壁沉积多种金属纳米颗粒用于提高气体选择性。CN101144789A也发展了一种甲醛气敏材料，通过制备SnO2-TiO2二元纳米复合材料作为气敏层，并在其中引入质量分数为2%-5%的Cd2+，提高了对甲醛气体的选择性，结果表明该气敏材料能够有效分辨苯、甲苯、二甲苯、氨等气体对甲醛的干扰。
3.3 响应速度的提高
在具有高灵敏度和选择性的基础上，提高响应速度也是气体传感器改进的重要目标。
KR10-0895258对传感器电极进行了改进用以提高响应速度，通过在硅基底的上下面上分别设置漏极（drain electrode）和栅电极（gate electrode）来提供栅电压脉冲用于提高传感器的响应速度。
除了对传感器自身结构进行改进的方式，通过调整传感器工作环境也能够提高响应速度。CN101135659A制备了一种Ga2O3纳米线气体传感器，该纳米材料具有较低电导率，在使用过程中，利用紫外光照快速产生电子-空穴对产生和再结合，从而使载流子浓度可以通过光很快地进行大幅度调节从而提高传感器响应速度。
四、小结
尽管半导体气体传感器历史悠远、应用广泛，但基于纳米材料的半导体气体传感器仍然是新生力量、方兴未艾。纳米材料的兴起让半导体气体传感器灵敏度和选择性有了很大的提升。开发高比表面积纳米材料、选择不同种类、不同形貌的纳米材料掺杂、配合来提高选择性仍是发展高性能传感器的重要研究方向。