1．易燃(易爆)性气体

可燃性气体主要有液化气(主要成分是丙烷)、煤气(主要成分是H₂、CO)、天然气(主要成分是甲烷)，在半导体生产工厂和实验室中主要是氢气、硅烷、磷烷等。检测可燃性气体可使用半导体、催化燃烧式、接触燃烧式等很多气敏传感器。半导体传感器灵敏度最高，应用于检测微量气体的泄漏，特别适合于氢气或以氢气为背景气配制的各种烷类气的系统或氢气钢瓶。在日常气体为主的化工厂，催化燃烧式和接触燃烧式气敏传感器被广泛使用，但是当现场含有高浓度的硫、氯、铅尘等气体时，会对传感器的元件产生“毒化”作用，缩短其使用寿命。

2．有毒(腐蚀)性气体

现代的半导体工厂和实验室中经常使用以硅烷为主的气体，除了大量使用的氮气、氢气外，还包括品种繁多的有毒(腐蚀)性气体。这些气体在车间或实验室存在，轻则使人身体不适、得病，严重的导致死亡。

(1)氨传感器

日本九州大学采用双向电泳法(dielectrophoresis, DEP)制造多壁碳纳米管(MWCNTs)用于氨的传感器。碳纳米管(CNTs)以快速响应、较低的分离温度、高灵敏度等优异特性应用于多种类型气体的传感器。CNTs传感器所使用的电信号输出有两种：①自下而上，直接用CVD在电极上多层沉积法；②预先在CNTs层上制造电极，例如吸液在电极上与水悬浮CNTs的高温分解，并制造成多壁碳纳米管。双向电泳法是在非均匀电场中，介电极性材料对带电生物材料如细胞、细菌和DNA进行操纵研究的一种电动力运动研究。

CNTs气敏传感器就是用DEP这种方法制造的。图5.5为该法制造CNTs气敏传感器示意图。

实验具体过程：采用由日本Nilaco公司生产的MWCNTs，其平均直径20nm,长5～20um,95％纯度(CVD法生长)。把MWCNTs悬浮在乙醇溶液中，浓度1 ug/ml，在超声波下处理60分钟，大的离子被离心分离，得到的悬浮液按图5.5进行传感器研制。

在玻璃衬底(20mm×20mm)的涂铬膜上(100nm厚)的叉指微电极进行光刻技术制图。为了在交流高低电场下进行工作，电极具有台阶结构，每一个叉指电极有5mm长，5um最小间隙。台阶每边50um见方，20个叉指电极构成19个沟槽，台阶电极周围用硅橡胶间隔绝缘，蠕动泵以0.5ml/min速度打入溶液4到容器6中，同时加100kHz,10V幅度(峰间值)电源。

该方法研制的传感器用于PPM含量氨的检测。

图5.5  用DEP法制造CNTs气敏传感器的示意图

1-交流电源；2-阻抗分析器(锁相放大器);3-循环泵；4-CNTs乙醇溶液；5-电极；6-容器

(2) NO和NO₂传感器

NO气体传感器在生命科学中应用非常广泛。用脉冲激光器研制CuWO₄薄膜传感器，对NO的测试灵敏度为10～400ppm(300℃)。在结膜炎、皮炎、刺激黏膜、咽喉和支气管水肿的病征中，空气中允许最大NO含量为25ppm，超过100ppm，将严重影响人体健康。基础和临床医学证明NO产生于人类的各种组织，然后通过呼气而排放，已经发现的呼气中排放的气体及其排放含量有CH₄(1～10ppm), C₂H₆(0～10ppb), C₅H₁₂(丙烷)(0～10ppb),NO(1～20ppb), CO(1～5ppm), OCS(硫化羰酰)(0～10ppb),NO₂(5～50ppb) , C₅H₈(异戊二烯)(50～200ppb)，NH₃(0.5～2ppm)，(CH₃)₂CO(丙酮)(0.1～lppm)。

日本九州大学在传感器领域做了很多工作，他们应用DEP技术在CNT气敏传感器方面研究了对NH₃、NO₂、SO₂、 HF和SF₆(电放电分解)等有毒气体的检测。DEP技术的特点在于能人为操纵CNT在电极上“搭桥”而构成的阵列传感器，根据循环泵打入CNT-乙醇溶液时间(约3h)，再通入有毒气体，接上测量电路，即能对有毒气体进行测量。图5.6是九州大学小组比较两种CNT对气体NO₂测定的规范灵敏度，其中SWCNT的灵敏度比MWCNT好，但是线性关系较差，SWCNT和MWCNT分别为单壁纳米管和多壁纳米管。

图5.6  比较两种CNT对NO₂的规范灵敏度

(3)气体氟化物传感器

日本九州大学于2012年公开了气体氟化物传感器的专利，该专利采用碳纳米管(CNT)对SF₆气体分解后的副产物SF₄、SOF₂、HF等气体进行测试。此传感器在气体绝缘开关器(gas insulating switchgear, GIS)中进行试验和应用。

CNT气敏传感器的制造和试验方法为：先在玻璃基板上真空蒸发铬膜。电极形状如叉指似互相交叉，然后按照DIP方法(图5.7)制造电极，制造后的电极在使用前必须“初期化(活化)”，初期化方法是在氮气中紫外光下(200W)照射，使得CNT所吸附气体充分排除。然后按图5.7流程图测定电导率。其数学公式如下：

S＝(G-G₀)/G₀=△G/G₀               (5-4)

式中，S为响应值；G₀为初始电导率；G为测定的电导率；△G为电导率变化值。

图5.7  CNT气敏传感器的制造

2a,2b-微电极；3-CNT

测试的具体过程(图5-8)：在测量部12中放入1 kΩ的电阻以检测电流，在交流电情况下，测定电流值和电压相位差，从而计算出微电极2a,2b之间由于SF₆分解而引起的阻抗值和电容值的变化。该专利直接采用直流电方法测定电导值，再由数据存储和校正部15内来计算分解气体的含量。

实施例：为了在离线设备中进行试验，GIS设备是30L不锈钢容器，内装长10 mm针形平板电极，再充入SF₆气体，压力0.1 MPa。在两电极上施加20kVrms电压，进行辉光放电(模拟生产中的GIS情况)。电极是叉指形状构成，由长12mm，叉指间宽度50mm，电极之间的间隙为5um的3组电极。通过不同时间((4,8,12,16和20小时)的辉光放电，得到响应值△G/G₀和时间的关系情况见图5.9。

这种由CNT3构成的电极能吸附和测定SF₆分解的SF₄等几种气体。

现代的半导体技术已经把气敏传感器的灵敏度提到很高程度，如采用等离子体加强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)方法研制的CNT薄膜，对NO₂的灵敏度达到10ppb。

(4)气体氯化氢传感器

国内的新疆大学Mamtinin Mahmut和国外的日本学者等研制了在聚合物

图5.8  CNT传感器用于SF₆气体分解后产物的测试

1-CNT传感器;11-电源部;12-测量部;13-演算控制部;14-数据显示部;15-数据存储和校正部;20-密封容器(内放入电极2a,2b和配置的传感器1);30-GIS的SF₆ 样品进入处(PVA)上固定刚果红染料的氯化氢气体光波导传感器(optical wave guide,OWG)。这种传感器在酸性气氛中，因吸附酸性气体而使染料由红变蓝，最低能检测到62ppb的HCl，响应值为3秒。实验装置见5.10。

图15.9  CNT传感器在SF₆气体中辉光放电时间和△G/G₀的关系

光波导传感器二氧化钛是常用的金属氧化物，加入外来元素如Nb, W, La，从而使二氧化钛性能发生改变，构成锐钛矿结构。该方法又对如SO₂、H₂S、NO₂、CO₂等酸性气体均可进行检测。

图5.10  光波导传感器检测气体工艺流程示意图

1-载气；2-流量计；3-分析气入口；4-总气体出口；5-总气体入口;6-计算机；7-检测器；8-光出口；9-辐射计；10-棱镜;11-光波导传感器；12-氦氖激光器