外文文獻(xiàn)翻譯譯文---金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器用于空氣中活性氣體雜質(zhì)測(cè)定

1、<p><b>　　中文7420字</b></p><p>　　ISSN 1070-3632。 俄羅斯普通化學(xué)雜志，2008年，第12號(hào),第78卷，第2545-2555頁(yè)。宿星出版社出版有限公司,2008年。原始俄羅斯文本，L.A. Obvintseva于2008年發(fā)表在俄羅斯化學(xué)雜志，第二號(hào)，第52卷，第113頁(yè)-121頁(yè)。</p><p>　　金屬氧化物

2、半導(dǎo)體傳感器用于空氣中活性氣體雜質(zhì)測(cè)定</p><p>　　L. A. Obvintseva</p><p>　　摘要:本文對(duì)測(cè)量微量O2,NOx，CL2，ClO2,和HCl金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行了討論。對(duì)半導(dǎo)體傳感器的具體功能和這些微量雜質(zhì)的檢測(cè)進(jìn)行了測(cè)定。對(duì)由傳感器產(chǎn)生的信號(hào)大小在WO3-，ZnO-，和In2O3傳感層進(jìn)行檢測(cè)，涉及到檢測(cè)O3，NOx，Cl2，ClO2和HCl

3、的濃度。通過(guò)半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)目標(biāo)雜質(zhì)敏感性的反應(yīng)使其適合衡量衛(wèi)生區(qū)和檢測(cè)大氣中臭氧水平的最高允許濃度。對(duì)用半導(dǎo)體氣體傳感器的氣體分析儀在開放的環(huán)境中測(cè)定氣體的雜質(zhì)的實(shí)例加以說(shuō)明。</p><p>　　簡(jiǎn)介：在20世紀(jì)40年代的研究工作集中于半導(dǎo)體電物理特性影響氣體吸附。從那時(shí)起半導(dǎo)體工程取得了重大進(jìn)展但也提出來(lái)反問題，即從檢測(cè)半導(dǎo)體的電物理特性的變化檢測(cè)氣體雜質(zhì)。然而，相對(duì)于半導(dǎo)體1器件被立即納入科學(xué)和技術(shù)各個(gè)領(lǐng)

4、域半導(dǎo)體傳感器，它經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，即從實(shí)驗(yàn)室模型到大規(guī)模生產(chǎn)。這一領(lǐng)域的進(jìn)步很大程度上歸功于由I.A. Myasnikov領(lǐng)導(dǎo)的卡爾波夫物理研究所（NIFKHI）所進(jìn)行的研究活動(dòng)。這些研究主要是集中在發(fā)生在半導(dǎo)體金屬氧化物表面發(fā)生的基本物理化學(xué)反應(yīng)和高靈敏度傳感器的物理應(yīng)用（這些研究的大部分調(diào)查結(jié)果匯總見[1]）。為此，在實(shí)驗(yàn)室中一些經(jīng)過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)的獨(dú)一無(wú)二儀器被使用。在為測(cè)定空氣中氣體雜質(zhì)而進(jìn)行的半導(dǎo)體傳感器設(shè)計(jì)及研究活動(dòng)（主要是

5、國(guó)外）有了顯著發(fā)展的同時(shí)，適合進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)技術(shù)也有了很大進(jìn)步[2-7]。這些成果使得多種感應(yīng)器的商業(yè)化生產(chǎn)達(dá)到了極限。主要的金屬氧化物半導(dǎo)體感應(yīng)器制造商是英國(guó)的City Technology公司和日本的Figaro Inc公司。</p><p>　　它們的主要缺點(diǎn)是半導(dǎo)體傳感器的選擇性差，但它們的所具有的優(yōu)點(diǎn)，即靈敏度高，靈捷性，體積小和大規(guī)模生產(chǎn)成本低，仍然使它們?cè)跉怏w分析的應(yīng)用中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。至于

6、半導(dǎo)體傳感器的選擇性，很多研究都在努力提高半導(dǎo)體氣體的選擇性，這個(gè)問題在許多應(yīng)用中得到解決[4, 8]。</p><p>　　半導(dǎo)體傳感器提供了太多的保證，特別是在污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)長(zhǎng)期的檢測(cè)，反映在大氣中的微量雜質(zhì)（在認(rèn)為排放量的情況下），以控制工業(yè)區(qū)和住宅區(qū)的空氣質(zhì)量。最近，移動(dòng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的申請(qǐng)數(shù)量在不斷增加，這需要廉價(jià)的便攜式氣體分析儀設(shè)備。在這里，分析設(shè)計(jì)測(cè)量空氣中微量O3，NOx，Cl2，ClO2，和

7、HCl的半導(dǎo)體傳感器是非常必要的。其在大氣中含量的增加，由于汽車尾氣排放（NOx）和熱電聯(lián)產(chǎn)電站的（NOx，HCl），化學(xué)工業(yè)，微電子，有色冶金（C12，НСl），漂白設(shè)施，廢水和污水處理廠（O3，Cl2，ClO2），以及在煙霧（O3，NOx，NOx）每日循環(huán)光催化反應(yīng)。</p><p>　　Fig.1傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：（a）測(cè)量電極和感應(yīng)層（頂視圖）和（b）加熱器（底視圖）。</p><p&

8、gt;　　半導(dǎo)器傳感器的基本操作規(guī)則</p><p>　　半導(dǎo)體化學(xué)傳感器的操作是通過(guò)分析受檢測(cè)半導(dǎo)體的樣品層的電生理氣體介質(zhì)組成的變化引起的特點(diǎn)。在這里，我們將討論半導(dǎo)體金屬氧化物電阻傳感器。半導(dǎo)體傳感器的電阻的特征，這取決于氣體的雜質(zhì)濃度，是由金屬氧化物半導(dǎo)體多晶薄膜為代表的感測(cè)層的導(dǎo)電性決定的。電阻性傳感器的輸出信號(hào)分析傳感層電阻或者模擬電壓信號(hào)。該傳感器的傳感層電阻的增加或減少，取決于雜質(zhì)的類型（電子供體

9、或受體）和半導(dǎo)體導(dǎo)電類型（N或P）。當(dāng)接受物種（О2）是吸附在n型半導(dǎo)體的表面（氧化鋅），該傳感層電阻增加（受體信號(hào)），當(dāng)發(fā)散物（氫氣）的吸附，電阻減少（供體信號(hào)）; p型半導(dǎo)體（氧化鎳）表現(xiàn)出反向的依賴。</p><p>　　半導(dǎo)體傳感器是一個(gè)小絕緣基板（≤3× 3平方毫米）容納測(cè)量電極和加熱器。后者是必要的，因?yàn)樵跉怏w對(duì)半導(dǎo)體表面化學(xué)吸附所涉及的過(guò)程中對(duì)溫度是有要求的。測(cè)量電極覆蓋在感測(cè)層上。傳感器

10、存在著不同的設(shè)計(jì)方案：傳感層和加熱器可以位于兩側(cè)的基板相同或不同的地方，（見，例，圖1。）[9]。</p><p>　　白金或金為加熱器和測(cè)量電極的首選材料;對(duì)于非侵略性的氣體，也可以用其他金屬，例如鎳鉻合金[7]。</p><p>　　該傳感器的特點(diǎn)是由化學(xué)成分和感測(cè)層材料的晶體結(jié)構(gòu)，以及由所有的傳感器組件的屬性，包括基體材料，材料的加熱器的幾何形狀和測(cè)量電極，以及傳感器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)所決定

11、的。</p><p>　　氣體中的雜質(zhì)導(dǎo)致半導(dǎo)體傳感器的電阻感應(yīng)層產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)的設(shè)置。這些措施包括電子化處理，表面和體吸附物種的擴(kuò)散，并收取樣本之間的多晶顆粒載體轉(zhuǎn)移。因此，半導(dǎo)體氣體傳感器響應(yīng)的闡述是通過(guò)理論相互關(guān)聯(lián)的分子過(guò)程及半導(dǎo)體表面的電子進(jìn)程。大多數(shù)情況下，化學(xué)吸附的電子理論是用于此目的[10-12]。模型描述了在空氣中處理傳感器信號(hào)考慮到傳感器表面上的吸附氧的存在[2，12]。用滲透理論和表面陷阱和傳導(dǎo)

12、障礙模型計(jì)算微晶顆粒間的電荷轉(zhuǎn)移。傳感層中的擴(kuò)散用多相催化方法闡述。吸附相的擴(kuò)散和微晶間的電荷轉(zhuǎn)移用特定晶體結(jié)構(gòu)和傳感層形態(tài)學(xué)來(lái)闡述。</p><p>　　盡管進(jìn)行了廣泛的研究工作，傳感器的設(shè)計(jì)所要求的特點(diǎn)似乎不可能在目前得到完全實(shí)現(xiàn)。到目前為止，該傳感器的特性和制備條件互連唯一特殊方面都得到了闡明[12，15，16]。傳感器的設(shè)計(jì)意味著在特定條件特定參數(shù)下對(duì)傳感器層的參數(shù)和準(zhǔn)備的仿真。</p>&

13、lt;p>　　圖2.空氣中可變臭氧濃度產(chǎn)生的半導(dǎo)體傳感器信號(hào)。傳感器：（一）三氧化鎢，250℃（工作溫度）[15];（二）三氧化鎢，530℃[9]，（三）銦：氧化鐵（3％），240℃[18]。</p><p>　　半導(dǎo)體金屬氧化物傳感器對(duì)大氣中O3，NOx，Cl2，ClO2，和HCl微量元素的檢測(cè)</p><p>　　在致力于半導(dǎo)體傳感器的出版物（尤其是最近期的）中，大部分是關(guān)于臭

14、氧傳感器的（見，例如，[2-4，12，15-20]）;一些二氧化氮的，[20?22];少部分是一氧化氮[21- 22]，氯[8，23-26];，只有很少的的出版物是關(guān)于二氧化氯[8，24，25，27]和氯化氫[28，29]。應(yīng)該指出氮氧化合物傳感器的研究都是在相當(dāng)高的NOx濃度中進(jìn)行的（約一百萬(wàn)分之一）,目的是為了分析汽車尾氣。</p><p>　　當(dāng)然，對(duì)臭氧傳感器的研究原因主要是源自于其的高需求。與此同時(shí)，重

15、要的是與臭氧接觸后半導(dǎo)體傳感器產(chǎn)生較大和完全可逆的信號(hào)，可以可靠地計(jì)量精度高的信號(hào)。同時(shí)，簡(jiǎn)單化商業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的臭氧傳感器可以使一些實(shí)驗(yàn)被很容易的進(jìn)行。</p><p>　　用于檢測(cè)臭氧，氮氧化物，氯氣，次氯酸和鹽酸這些微量物質(zhì)的半導(dǎo)體傳感器的材料由以下氧化物為主：In2O3 [4–6, 8, 18–20, 24–29], WO3 [2, 3, 9, 12, 15–17, 21, 23], ZnO [18, 19,

16、 24, 28, 29], SnO2 [4, 22]，都摻雜或者提純。</p><p>　　與N型導(dǎo)電性金屬氧化物傳感器對(duì)O3，Cl2，ClO2，NO2和NO微量雜質(zhì)的受體信號(hào)通常產(chǎn)生曝光不足，在氣體中出現(xiàn)這些雜質(zhì)使傳感器的電阻增加。可以由在不同濃度臭氧中WO3-和In2O3-基傳感器的動(dòng)力曲線的例子證實(shí) [9，15，18]。所有研究的傳感器產(chǎn)生的信號(hào)完全可逆，雖然弱于在O3中產(chǎn)生的信號(hào)[20–27] ，實(shí)驗(yàn)證明

17、NO2，NO，ClO2和Cl2產(chǎn)生的信號(hào)性質(zhì)相似。</p><p>　　Obvintseva通過(guò)研究傳感器（氧化銦-或氧化鋅為基礎(chǔ)的）HCl暴露產(chǎn)生的特點(diǎn)信號(hào)表面，空氣濕度，工作溫度的不同能使傳感器產(chǎn)生不同的信號(hào)，具體而言，傳感器電阻可以減少或者增加。推斷這種現(xiàn)象在發(fā)出和接收到的信號(hào)與傳感器吸附的氫氧有關(guān)，隨著二氧化氯對(duì)由于氯氫與氧傳感器的表面氧化的結(jié)果出現(xiàn)。為了闡明這種氧化的合適條件，我們計(jì)算了下，在HCl轉(zhuǎn)換

18、過(guò)程中氧化的НСl在不同的溫度和濕的度大氣中的氧氣反應(yīng)的熱力學(xué)平衡條件。這些計(jì)算表面在干燥的室溫和低溫下，氯形成占主導(dǎo)的地位，這是傳感器電阻增加的主要原因，所有要求增加空氣濕度和工作溫度減少傳感器中HCl轉(zhuǎn)化為Cl2[29]。因此，HCl半導(dǎo)體傳感器在空氣中檢測(cè)，需要同時(shí)檢測(cè)空氣濕度。</p><p>　　值得注意的是，ClO2傳感器響應(yīng)的一個(gè)特定的方式：加熱中等二氧化氯含量導(dǎo)致傳感器信號(hào)衰減或者完全消失，紫外線

19、照射下呈現(xiàn)出特征信號(hào)的非單調(diào)變化。原因是ClO2容易在加熱或者紫外線照射下分解。此前Obvintseva等討論了這些方面對(duì)于提高ClO2傳感器檢測(cè)Cl2和ClO2的靈敏度和選擇性的潛力。</p><p>　　最佳的工作溫度是指既能可以規(guī)模實(shí)現(xiàn)并使傳感器靈敏工作的溫度。例如，在氧化銦情況：Fe2O3的傳感層，在240，350和300℃時(shí)達(dá)到最大靈敏度檢測(cè)О3，Cl2和Cl2O，分別為[18，25]。在HCl檢測(cè)中，

20、對(duì)受體信號(hào)觀察到的最大靈敏度為≤200℃,發(fā)出的信號(hào)在CA.400℃。然而，因?yàn)樵谳^低溫度下緩慢的產(chǎn)生信號(hào)，對(duì)受體信號(hào)的НСl檢測(cè)工作溫度在350-400℃。</p><p>　　這種情況隨著時(shí)間的轉(zhuǎn)移（響應(yīng)速度）在傳感器檢測(cè)氣體的分解(О3, СlО2)的 乃至于惰性材料表面的理解不足。在這種情況下，困難在于創(chuàng)造一個(gè)集中的過(guò)程“一步“，使其傳遞到傳感器。與此同時(shí)，H2，CH4和CO欠反應(yīng)的問題就得能有條不紊的解

21、決，這個(gè)時(shí)間常數(shù)估計(jì)為一或幾秒鐘[30]。實(shí)驗(yàn)測(cè)量吸附層中發(fā)生反應(yīng)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，氣體分子擴(kuò)散到整個(gè)傳感層，并在傳感器附近更換氣體介質(zhì)的速率。為了提高傳感器的靈敏度，最后兩個(gè)提到的因素的作用必須越小越好。在環(huán)境檢測(cè)和控制氣體排放過(guò)程中測(cè)定雜質(zhì)氣體的濃度通常在10秒后或者幾分鐘后才能出結(jié)果。在數(shù)十時(shí)間常數(shù)或者幾秒或者十幾分子內(nèi)能檢測(cè)出，這種結(jié)果是可以接受的。在測(cè)量空氣中的雜質(zhì)氣體濃度的動(dòng)態(tài)模式下，在不到1秒的間隔內(nèi)，傳感器不應(yīng)超過(guò)一或幾秒

22、鐘的時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　由半導(dǎo)體傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通常是目標(biāo)含雜質(zhì)的非線性變化，對(duì)應(yīng)的函數(shù)是多項(xiàng)式或冪函數(shù)</p><p>　　其中R是從傳感器在目標(biāo)雜質(zhì)存在的穩(wěn)態(tài)信號(hào); R0是在沒有雜質(zhì)的傳感器信號(hào)；c是在空氣中ppm的氣體雜質(zhì)含量K(ppm)–x,的和х（無(wú)量綱參數(shù)），常數(shù)取決于對(duì)氣體的性質(zhì)和傳感器的傳感層。</p><p>　　圖3顯示了半導(dǎo)體傳感器

23、信號(hào)對(duì)臭氧濃度不同反應(yīng)，NO2，Cl2，HCl和ClO22，由式（1）處理，來(lái)自不同的報(bào)告[圖2的數(shù)據(jù)顯示臭氧的熱帶氣旋的依賴關(guān)系；式（1）中的參數(shù)х和K列于表1]。</p><p>　　圖3對(duì)一些測(cè)試氣體雜質(zhì)濃度的各種傳感器靈敏度（信號(hào)）進(jìn)行比較得出一些依賴關(guān)系，以及用于測(cè)量低濃度O3，NO2，Cl2，ClO2和HCl的傳感器，這些傳感器測(cè)量結(jié)果容易分析。</p><p>　　表2列出所

24、有在信號(hào)/噪聲的比等于2的氣體中雜質(zhì)的最小濃度，以及在СminR/R0信號(hào)比例，在工作區(qū)氣體雜質(zhì)允許的高大濃度（MPCw.z.），和日平均濃度空氣（MPCd.a.）（多個(gè)傳感器采樣。）[31-33]</p><p>　　金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器測(cè)定</p><p>　　圖3，半導(dǎo)體傳感器穩(wěn)態(tài)信號(hào)的產(chǎn)生與濃度的關(guān)系（一）臭氧，（二）二氧化氮，以及（c）二氧化氯，氯氣和鹽酸。傳感器（一）：（1）

25、三氧化鎢，250℃（工作溫度）[15]（2）氧化銦：鐵（3％），420℃[5，6]，（3）氧化銦，氧化鐵（3％），240℃[18]（4）三氧化鎢，530℃[9];（二）：（1）氧化銦，84℃[22]（2）三氧化鎢，200℃[21];（3）氧化銦，250℃[20]，（4）氧化鉬：氧化銦，250℃[20]，（5）二氧化錫，120℃[22];及（c）：（1，2）氧化銦：氧化鐵（3％），（3）氧化銦：鐵;及（4）氧化鋅，工作溫度，℃：（1）25

26、0，（2）350，（3）420，（4）400;目標(biāo)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容：（1）二氧化氯[25]，（2）氯氣[25]，（3）氯氣，（4）鹽酸[28]。 （R/R0）相關(guān)分析信號(hào)。</p><p>　　我們的數(shù)據(jù)表明。對(duì)于同樣的化學(xué)成分和氣體制作的傳感器，不同的作者給出的表達(dá)式中的參數(shù)x和k的值相差很大。其原因是，傳感器感應(yīng)層參數(shù)其制備方法有所不同。在一個(gè)寬泛的濃度范圍內(nèi)，在臭氧環(huán)境下一些不同的化學(xué)成分的半導(dǎo)體傳感器顯示出了最

27、高的敏感性。這種臭氧環(huán)境下的高敏感性尤其會(huì)在低濃度（≤0.1ppm）中凸顯。在0.1ppm的濃度下，傳感器在臭氧中的敏感性大約超出了NO2，ClO2，Cl2的。當(dāng)濃度大于等于1 ppm時(shí)，傳感器對(duì)臭氧、二氧化氮，氧化鋁的敏感性變得可比較了（以In2O3為基礎(chǔ)的傳感器便是個(gè)例子）。以In2O3或者ZnO為基礎(chǔ)的傳感器對(duì)HCL最不敏感。半導(dǎo)體傳感器可以偵測(cè)到MPCw.z.級(jí)別的不純凈的O3，NO2，ClO2，Cl2和HCl氣體。</p

28、><p>　　對(duì)傳感器檢測(cè)已知的雜質(zhì)含量，進(jìn)行校準(zhǔn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。傳感器氣體雜質(zhì)測(cè)量準(zhǔn)確的一個(gè)先決條件是傳感器信號(hào)的校準(zhǔn)穩(wěn)定，也就是說(shuō)在傳感器運(yùn)行時(shí)參數(shù)х和K不變。這個(gè)比例系數(shù)K表明了傳感器實(shí)測(cè)濃度的靈敏度是統(tǒng)一的。對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的濃度傳感器信號(hào)非線性的依賴使這一參數(shù)的的價(jià)值不大。在這方面更為可貴的是在參數(shù)C中指數(shù)x，表征校準(zhǔn)必須在整個(gè)研究的濃度范圍內(nèi)。如果此參數(shù)在傳感器的開發(fā)周期不變，將其中一個(gè)目標(biāo)雜質(zhì)濃度為傳感器的標(biāo)定特

29、征后，后續(xù)控制就足夠了。</p><p>　　表1.傳感器對(duì)空氣中臭氧，二氧化氮，二氧化氯，氯氣和鹽酸濃度產(chǎn)生的信號(hào)方程。根據(jù)圖三計(jì)算出。</p><p>　　表2.為半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)和臭氧，二氧化氮，氯氣，二氧化氯和氯化氫的最低可檢查濃度在臨界濃度的R / R信號(hào)</p><p>　　參數(shù)C的指數(shù)X提供了傳感器傳感層與吸附分子之間的相互作用。對(duì)于在真空中的傳感器的

30、傳感層,該指數(shù)的最大值是0.5。這一理論值得到出當(dāng)氧化鋅的電導(dǎo)率在較低壓力下(PO2<1Torr)氧化鋅形成一個(gè)Zn+ O2-的表面化合物和形成一個(gè)電子化的導(dǎo)帶。最近，這種方法適用于在低氣壓（PCl2<10-2 Torr）下對(duì)一系列的TiO2表面氧化物吸附游離氧化鋅和氧化鎳。相同樣本，類似實(shí)驗(yàn)校氧氣的X值，被證明是等同于公布的數(shù)據(jù)。在空氣中參數(shù)C指數(shù)x采取不同的值不同的傳感器感應(yīng)層和不同的目標(biāo)氣體雜質(zhì)，包括那些指數(shù)為0.5甚

31、至以上的值。圖3是在計(jì)算X值的基礎(chǔ)上（見表1）例證對(duì)比目標(biāo)雜質(zhì)濃度傳感器的信號(hào)圖。對(duì)分散的X值，可以解釋為傳感器的傳感層表面存在大氣中的氧氣。</p><p>　　圖4.臭氧在不同傳感層溫度時(shí)基于氧化鎢的模擬響應(yīng)傳感器下氧的解離和非解離吸附（對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）[12]）：（○）計(jì)算，非解離吸附;（□）計(jì)算，解離吸附;和（+）的實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　對(duì)傳感層表面發(fā)生氧的吸附，考慮到在傳感器對(duì)

32、目標(biāo)空氣的中的雜質(zhì)的反應(yīng)機(jī)制[2, 12]。例如，Guerin et 等模擬了WO3為基礎(chǔ)的臭氧傳感器的反應(yīng)，大氣中的氧的吸附為為解離或者非解離取決于傳感層的溫度。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都見圖4。如圖所見，在溫度低于240°C的時(shí)候非解離吸附氧，高于解離時(shí)吸附氧。值得注意的是，確認(rèn)在溫度范圍[12]內(nèi)金屬氧化物半導(dǎo)體對(duì)氧的解離吸附和非解離吸附的已知數(shù)據(jù)：在高，中，低溫度下觀察吸附和非解離[1, 11, 34]。</p>

33、<p>　　總之，半導(dǎo)體臭氧傳感器比其他檢測(cè)儀器有在其他氣體雜質(zhì)檢測(cè)中有更高的靈敏度。對(duì)ClO2傳感器信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)主要表現(xiàn)受測(cè)氣體受到外部影響（溫度，紫外輻射）。氯化氫的為電子受體或供體的表現(xiàn)因?yàn)閭鞲衅鞯墓ぷ鳒囟群涂諝鉂穸榷ā＿@些功能可以因?yàn)榘雽?dǎo)體傳感器的需求選擇性氣體雜質(zhì)的測(cè)定。整體而言，半導(dǎo)體傳感器的靈敏度足以檢測(cè)工作區(qū)，居住區(qū)和其它部分的O3，NO2，Cl2，ClO2和HCl的臨界溫度。半導(dǎo)體傳感器的氣體分析儀是否適

34、合空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)取決于其選擇性。要回答這個(gè)問題這是需要研究的交叉敏感性問題。在這里討論的氣體雜質(zhì)，需要對(duì)O3和NO2進(jìn)行測(cè)量[4, 20]。高靈敏度的O3傳感器與NO2傳感器在不同溫度下傳感器的靈敏度最大允許的條件下選擇可接受的條件下檢測(cè)臭氧濃度比二氧化氮濃度將產(chǎn)生的影響低[4]。</p><p>　　截至目前，半導(dǎo)體臭氧傳感器可對(duì)于現(xiàn)有的雜質(zhì)檢測(cè)討論。除了他們的特點(diǎn)，沿此方向目前的研究活動(dòng)的重點(diǎn)是有方向的，如零

35、線控制[37]，標(biāo)定規(guī)律[17]等的測(cè)量，由作為測(cè)量?jī)x器的氣敏傳感器用于測(cè)量元素。對(duì)于半導(dǎo)體氣體分析儀，這是與設(shè)計(jì)儀器有關(guān)聯(lián)的[9，7-19，38]。</p><p>　　傳感器氣體分析儀的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)</p><p>　　半導(dǎo)體傳感器的氣體分析儀的戶外應(yīng)用顯得格外有吸引力。在這一領(lǐng)域的發(fā)展努力是沿著兩條路線進(jìn)行：設(shè)計(jì)用于飛行（短期）和長(zhǎng)期應(yīng)用表面大氣監(jiān)測(cè)儀器。各種載體上（探頭，火箭，飛機(jī)）采

36、用各種載體小型快速傳感器，對(duì)中間層和上層大氣氣體組成的檢測(cè)被賦予很大的期望。20世紀(jì)70年代以來(lái)開展的相關(guān)研究表明，這種分析的做法是完全可能的?？柌ǚ蛭锢砘瘜W(xué)研究所和應(yīng)用地球化學(xué)研究所(A.I. Livshits, E.E. Gutman, I.A. Myasnikov)在研究用半導(dǎo)體傳感器測(cè)量地球大氣層的上層氧原子濃度方面發(fā)展迅速，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的合作計(jì)劃。對(duì)氧化鋅傳感器的使用與鋅原子摻雜氧化鋅薄膜制備解決了氫原子氧原子的選擇性問題（

37、受體物種的吸附中心）1979年在伏爾加格勒附近進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1, 40]。一種MР12氣象火箭配備了原子氧傳感器的分析儀。圖5比較了利用半導(dǎo)體傳感器測(cè)量地球大氣層中的原子氧濃度的垂直剖面，與其他方法（質(zhì)譜法，共振光譜獲取;和銀膜方法記錄薄銀膜電阻的變化，由受體活性物種比如氧原子，臭氧[41]）計(jì)算得出的模型比較?？梢钥闯觯@些數(shù)據(jù)吻合。</p><p>　　高田純次在1989年用一個(gè)半導(dǎo)體傳感器測(cè)量大氣臭氧濃度

38、同時(shí)用光譜儀上同步測(cè)量紫外吸收。實(shí)驗(yàn)使用半天時(shí)間，并揭示了一種氧化銦為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體傳感器的電阻變化和大氣臭氧濃度明顯的相關(guān)性。</p><p>　　圖.5.（1）1979年12月27日（近伏爾加格勒）半導(dǎo)體傳感器測(cè)量確定的垂直剖面上層大氣中的原子氧濃度，（2，3）質(zhì)譜，（4，5）共振光譜，（6）銀膜法和（7,8）模型計(jì)算[1，40]。</p><p>　　漢斯福德等在英國(guó)劍橋大學(xué)中心大氣科

39、學(xué)學(xué)院[9]開發(fā)并測(cè)試了用于測(cè)量大氣臭氧垂直分布?xì)怏w分析儀。當(dāng)臭氧傳感器送達(dá)一個(gè)有三氧化鎢感測(cè)層半導(dǎo)體儀器,這是目前由市科技提供的。圖6給出了臭氧的半導(dǎo)體傳感器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的文書（一電化學(xué)電池），1999年5月在阿伯里斯特威斯（英國(guó)）附近進(jìn)行了用標(biāo)準(zhǔn)儀器和半導(dǎo)體傳感器放入探頭測(cè)量臭氧濃度的試驗(yàn)。接受這種類型測(cè)量的25％的相關(guān)性觀察儀器的讀數(shù),被研究小組認(rèn)為是相當(dāng)樂觀的[9]。</p><p>　　本研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的

40、另一個(gè)方面是用于地面的臭氧監(jiān)測(cè)，也是用三氧化鎢為基礎(chǔ)的傳感器。該儀器與光譜儀上測(cè)量紫外線的吸收進(jìn)行了同步實(shí)驗(yàn)。在英國(guó)幾個(gè)工業(yè)中心進(jìn)行了為期30天的一系列的測(cè)量。在測(cè)量的第一天,通過(guò)之前和之后的對(duì)臭氧濃度的實(shí)地測(cè)量進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn),最好的結(jié)果,得到該傳感器的初步特征,并在隨后的幾天對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的校準(zhǔn)。對(duì)于這種傳感器這種穩(wěn)定的校準(zhǔn)特性研究建議每星期一次。</p><p>　　在俄羅斯半導(dǎo)體對(duì)地面臭氧測(cè)量的適用性是奧布

41、霍夫大氣物理研究所（IFA），俄羅斯科學(xué)院和NIFKHI聯(lián)合研究的重點(diǎn)。自2002年2月，在IFA的氣氛觀測(cè)站已經(jīng)建立了幾大系列的地面臭氧測(cè)量傳感器與氣體分析儀實(shí)驗(yàn)電路板原型，并在探索。在目前階段，這些研究的目的是制定適當(dāng)?shù)膬x器和測(cè)量技術(shù)。NIFKHI在臭氧的基礎(chǔ)上開發(fā)的半導(dǎo)體傳感器是一個(gè)新的臭氧濃度測(cè)量?jī)x——半導(dǎo)體臭氧計(jì)，由IFA和NIFKHI設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖6。三氧化鎢傳感器對(duì)于大氣臭氧剖面的記

42、錄[1999年5月14日再阿伯里斯特威斯（英國(guó)）附近的一個(gè)臭氧探測(cè)] [9]：數(shù)據(jù)與（實(shí)線）電化學(xué)氣體分析儀和（虛線）半導(dǎo)體傳感器獲得。</p><p>　　圖7.由 (a) DASIBI 1008-AH和（b）半導(dǎo)體氣體分析儀記錄的地面臭氧濃度的日變化。</p><p>　　Obvintseva等早期設(shè)計(jì)的測(cè)試儀器的實(shí)驗(yàn)電路模型的報(bào)道[18,19]。被測(cè)試的測(cè)量?jī)x器與DASIBI10

43、08 –AH（美國(guó)）光學(xué)氣體分析儀進(jìn)行了同步。（Dasibi光學(xué)分析儀可以廣泛用于國(guó)際網(wǎng)絡(luò)站的臭氧儀。）比較不同的測(cè)量數(shù)據(jù)（圖7）后有以下建議。首先，當(dāng)臭氧濃度產(chǎn)生變化時(shí)半導(dǎo)體臭氧儀產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)DASIB1008-AH記錄下。其次，半導(dǎo)體傳感器在靈敏度和時(shí)間分辨率方面優(yōu)于光學(xué)氣體分析儀。例如，圖.7a顯示了臭氧濃度的離散頻譜，??1.5 ppb，以及半導(dǎo)體臭氧儀生成一個(gè)此濃度范圍內(nèi)的連續(xù)變化的信號(hào)（見圖.7b項(xiàng)）。</p>

44、<p>　　傳感器分析儀的戶外應(yīng)用所帶來(lái)的困難之一是，他們的特性受氣象的影響，最重要的是，空氣溫度和濕度的影響。Obvintseva等表明，輕微的水分由氧化鋅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體傳感器產(chǎn)生的信號(hào) [28]。這個(gè)問題值得更詳細(xì)的檢查。整體而言，傳感器氣體分析儀可以很好的用于檢查大氣的氣體成分和空氣質(zhì)量。</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>

45、　　空氣質(zhì)量管理的現(xiàn)狀可以主要概括為由半導(dǎo)體化學(xué)感應(yīng)器整合到分析應(yīng)用中所帶來(lái)的光明未來(lái)和其現(xiàn)今仍不太可能被應(yīng)用的事實(shí)之間的矛盾。盡管如此，大量的研究動(dòng)作正在進(jìn)行，并研究出更多的氣體分析方法，為未來(lái)半導(dǎo)體化學(xué)傳感器的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Sauter, DE., Weimar, U., Noetzel, G.,

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