| 1 引 言
建筑材料、装修材料、家具、地毯等其中的挥发性有机气体，对人体健康有很大危害，其中甲醛是一种重要的化工材料和有机溶剂，也是有害气体，不仅强烈地刺激人的眼睛和鼻子，而且是致癌物。如何检测和控制室内甲醛污染是近年来备受重视的研究课题，世界卫生组织和我国有关部门都出台了相应的标准。由于半导体气体传感器具有制作简单，成本低，使用方便，易于与测试系统配套，便于更换，可以直接将气体浓度转换成电信号等优点，在检测气体浓度方面具有优势。虽然这类传感器在选择性和稳定性等方面存在一些缺点，但仍然是目前实际应用最多的气体传感器。半导体甲醛气体传感器的敏感材料包括NiO薄膜，纳米La0.68 Pb0.32FeO3，纳米SnO2，ZnSnO3等。本文利用掺杂的方法改善纳米SnO2气敏元件灵敏度，掺杂剂包括Pd，Sb，Ti，Zr，Cu，Ag，Mn等。实验表明，在SnO2中分别掺杂2%Pd和2%Zr等都会增大气敏元件对甲醛的灵敏度。
2 实 验
用化学共沉淀法制备纳米SnO2粉体，平均粒径为15 nm。用去离子水将SnO2粉研成糊状(若掺杂，将掺杂剂混合同时研磨)均匀地涂在带有电极和导线的陶瓷管(φ2 mm×4 mm)外侧。在600℃空气中烧结2 h。将电极和穿过磁管内的加热电阻丝分别焊接在六脚底座上，制成旁热式甲醛气敏元件。元件在5 V电压下老化10天。
待测甲醛气体(N2为平衡气体，大连特种气体公司生产)及高纯度空气分别经质量流量计、干燥塔进入测试瓶中。计算机通过D／A卡控制各质量流量计配出不同浓度的甲醛气体。
采用台湾固纬电子生产的GPS-3303C型直流电源为气敏元件加热，图1给出了气敏元件的基本测试电路。负载电阻RL与气敏元件R0串联组成分压电路。气敏元件的电压输出经PCI-8322转换后传送给计算机。当气体浓度变化时，元件表面敏感膜吸附气体，电导率发生变化引起输出电压变化。计算机通过A／D卡测试记录电压信号的变化从而得到气体浓度的变化。 
3 结果与讨论
气敏元件的灵敏度S定义为元件在空气中的电阻值Ra与在待测气体中电阻值Rg之比(S=Ra／Rg)。
元件的灵敏度与加热电压有关，在加热电压为3.5 V时本文研制的甲醛气敏元件的灵敏度最高。
3.1 未掺杂SnO2气敏元件
图2为气敏元件测试电路采集的SnO2气敏元件对空气和3×10-5甲醛气体的输出电压波形。由图2可以看出，通人甲醛气体后，元件上的电压变小，即电阻降低。当甲醛体积分数从0升高到3×10-5时，元件上电压变化了约150 mV。该气敏元件对3×10-5甲醛响应和恢复时间分别为25 s和40 s。元件的灵敏度随甲醛体积分数的减小而降低，如图3所示。
SnO2是n型半导体，当表面吸附甲醛这类还原性气体时，吸附气体向半导体提供电子，使半导体表层的导电电子数增加，引起电导率增加，电阻下降。吸附气体浓度越高，电阻率的变化也越大。因此，随着甲醛体积分数的增大，元件灵敏度增大。 
3.2 掺杂SnO2气敏元件
为了提高SnO2气敏元件对甲醛的灵敏度，进行了掺杂实验。掺杂元素及掺杂浓度(质量分数)分别为：2％Pd，3％Pd，2％Sb，3％Sb，2％Ti，2％Zr，2％ Cu，2％ Ag，2％ Mn。表1给出各种掺杂SnO2气敏元件对5×10-5体积分数甲醛的灵敏度。图4给出各种掺杂SnO2气敏元件对甲醛气体的灵敏度比较。 
从图4看出，掺杂可以改变SnO2元件的灵敏度。掺杂2％Pb和2％Zr效果较明显，其灵敏度比未掺杂元件有较大提高。有些掺杂基本上对元件灵敏度不起作用，有的掺杂剂甚至降低元件的灵敏度。
从半导体物理得知，流过半导体传感器的电流I可以表示为 
式中：I0是与氧分压pO2及温度T有关的参数；Nd，Ns，εs分别为SnO2中有效施主密度、表面态密度及介电常数；k为Boltzmann常数；e为电子电荷。由式(1)可以看出，SnO2中有效施主密度Nd和表面态密度Ns都强烈地影响流过传感器的电流I。如果掺杂能够提高SnO2中Nd，电流就会增大，电阻降低，使元件的灵敏度提高。如果掺杂剂不能使SnO2中有效施主密度提高，则起不到改善元件灵敏度的作用。哪些元素、元素含量及其提高SnO2灵敏度的机理都有待进一步研究。
3.3 气敏元件对乙醇的选择性分析
实验表明，乙醇气体是研制SnO2甲醛气敏元件的主要干扰气体之一。虽然乙醇不是有害气体，但经常与甲醛同时挥发出来，而它的存在对甲醛气敏元件的特性有很大影响，出现气敏元 |
