[科普中国]-氧化镍系气敏陶瓷

氧化镍系气敏陶瓷是指具有气敏效应的氧化镍系半导体陶瓷。为p型半导体，在氧分压增加时，电导率下降。用它来测量氧分压的变化时比使用n型半导体的氧化锡、氧化锌等材料更为有利，因而适合在诸如控制汽车发动机的空燃比等场合下使用。为了迅速达到热平衡，需要在1000℃以上高温使用。

简介氧化镍系气敏陶瓷是指具有气敏效应的氧化镍系半导体陶瓷。为p型半导体，在氧分压增加时，电导率下降。用它来测量氧分压的变化时比使用n型半导体的氧化锡、氧化锌等材料更为有利，因而适合在诸如控制汽车发动机的空燃比等场合下使用。为了迅速达到热平衡，需要在1000℃以上高温使用1。

气敏陶瓷的原理半导体气敏陶瓷的导电机理主要有能级生成理论和接触粒界势垒理论。按能级生成理论，当SnO2、ZnO等N型半导体陶瓷表面吸附还原性气体时，气体将电子给予半导体，并以正电荷与半导体相吸，而进入N型半导体内的电子又束缚少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，增大电子形成电流的能力 ，使陶瓷电阻值下降；当N型半导体陶瓷表面吸附氧化性气体时，气体将其空穴给予半导体，并以负离子形式与半导体相吸， 而进入N型半导体内的空穴使半导体内的电子数减少，因而陶瓷电阻值增大。接触粒界势垒理论则依据多晶半导体能带模型，在多晶界面存在势垒，当界面存在氧化性气体时势垒增加，存在还原性气体时势垒降低，从而导致阻值变化。

常用的气敏陶瓷材料有SnO2、ZnO和ZrO2。SnO2气敏陶瓷的特点是灵敏度高，且出现最高灵敏度的温度Tm较低(约300℃)，最适于检测微量浓度气体，对气体的检测是可逆的，吸附、解析时间短。ZnO气敏陶瓷的气体选择性强。ZrO2系氧气敏感陶瓷是一种固体电解质陶瓷的快离子导体。因ZrO2固体中含有大量氧离子晶格空位，因此，造成氧离子导电1。

气敏陶瓷与湿敏陶瓷的区别气敏陶瓷是基于元件表面的气体吸附和随之产生的元件导电率的变化而设计。具体吸附原理为:当吸附还原性气体时，此还原性气体就把其电子给予半导体，而以正电荷与半导体相吸附着。进入到n型半导体内的电子，束缚少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低。这实际上是加强了自由电子形成电流的能力，因而元件的电阻值减小。与此相反，若n型半导体元件吸附氧化性气体，气体将以负离子形式吸附着，而将其空穴给予半导体，结果是使导电电子数目减少，而使元件电阻值增加。

湿敏陶瓷是当气敏陶瓷界处吸附水分子时，由于水分子是一种强极性分子，其分子结构不不对称。由于水分子不对称，在氢原子一侧必然具有很强的正电场，使得表面吸附的水分子可能从半导体表面吸附的O2-或O-离子中吸取电子，甚至从满带中直接俘获电子。因此将引起晶粒表面电子能态变化，从而导致晶粒表面电阻和整个元件的电阻变化2。

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学