科技賦能，守護每一次呼吸的安全

在我們?nèi)粘Ｉ钪校瑥膹N房的燃氣報警器到汽車的尾氣檢測，半導(dǎo)體氣體傳感器正無聲地守護著我們的安全。作為氣體傳感器市場占比約60%的重要類別，這項技術(shù)已悄然融入現(xiàn)代社會的各個角落。本文將帶您深入了解半導(dǎo)體氣體傳感器的原理、用及未來發(fā)展趨勢。

一、半導(dǎo)體氣體傳感器：工作原理與技術(shù)特點

半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件作為敏感元件的氣體檢測裝置。其核心技術(shù)基于氣體分子與半導(dǎo)體材料表面的相互作用。
核心工作原理：當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，氣體接觸半導(dǎo)體表面并被吸附時，會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻值發(fā)生變化。對于n型半導(dǎo)體（如SnO?、ZnO），還原性氣體（如氫氣、一氧化碳）吸附會使載流子增多，半導(dǎo)體阻值下降；而氧化型氣體（如氧氣）則會產(chǎn)生相反效果。
這種傳感器主要有兩種類型：電阻型（通過阻值變化檢測氣體）和非電阻型（包括MOSFET和結(jié)型傳感器）。電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉而得到廣泛應(yīng)用，但通常需要在150-450℃的高溫下工作，且存在選擇性較差的缺點。

二、性能提升：技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新解決方案

傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器面臨著幾大技術(shù)挑戰(zhàn)：工作溫度高、選擇性不理想、環(huán)境濕度干擾大等問題。近年來，研究人員通過多種創(chuàng)新手段應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
材料工程是提升性能的關(guān)鍵路徑。通過摻雜Pt、Pd等催化劑或調(diào)整制備工藝（如在400-600℃燒結(jié)，在170-200℃工作），可顯著優(yōu)化傳感器性能。吉林大學(xué)的研究團隊開發(fā)的Janus TpMa COF/Eu摻雜α-Fe?O?復(fù)合材料，通過疏水特性有效降低了環(huán)境濕度對器件靈敏度的影響，同時提高了對目標(biāo)氣體的吸附能力。
結(jié)構(gòu)創(chuàng)新同樣帶來了突破。Au裝飾的InSe納米片傳感器實現(xiàn)了無紫外光激活的氮氧化物檢測，通過金納米粒子誘導(dǎo)能帶彎曲和肖特基結(jié)形成，促進了電子轉(zhuǎn)移，對1.2ppm NO?的響應(yīng)達到181.8%。
新型激活技術(shù)也在不斷發(fā)展。光活化技術(shù)利用光照替代傳統(tǒng)熱激活，使傳感器能在接近室溫的條件下工作，大幅降低能耗，為開發(fā)低功耗便攜設(shè)備提供了可能。

三、應(yīng)用領(lǐng)域：從日常生活到工業(yè)生產(chǎn)

半導(dǎo)體氣體傳感器的應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎覆蓋了所有需要氣體檢測的場景。
在日常生活中，它們廣泛應(yīng)用于家庭燃氣報警器，可有效檢測甲烷、液化氣、氫氣等可燃氣體，保障居家安全。在智能家電領(lǐng)域，半導(dǎo)體氣體傳感器也扮演著重要角色。
在工業(yè)安全領(lǐng)域，這些傳感器被用于工廠的可燃氣體泄漏檢測裝置，成為安全生產(chǎn)的重要保障。在半導(dǎo)體制造業(yè)中，便攜式氣體探測器被廣泛應(yīng)用于薄膜設(shè)備（CVD/PVD）、半導(dǎo)體刻蝕、光刻工藝、離子注入等多個關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。
在環(huán)境監(jiān)測方面，半導(dǎo)體氣體傳感器展現(xiàn)出巨大潛力。吉林大學(xué)的研究團隊將MEMS傳感器系統(tǒng)與智能小車結(jié)合，實現(xiàn)了家居環(huán)境中多種VOCs氣體的遠程、可視化監(jiān)測，檢測下限可達794ppt。這對于甲醛等室內(nèi)空氣污染物的檢測具有重要意義。