第三章4(气敏陶瓷)优质PPT.pptx

第三章4(气敏陶瓷)优质PPT.pptx

《第三章4(气敏陶瓷)优质PPT.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章4(气敏陶瓷)优质PPT.pptx（69页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

半导体法则是利用半导体材料制成小体积的或膜状的气敏元件来检测的。

由于这些半导体气敏元件灵敏度高、结构简单、使用方便、价格低廉。

在一些国家中，采用半导体气敏元件的已占这些检测器的半数以上。

将气体参量转化成电信号的陶瓷材料。

它能以物理或化学吸附的方式吸附气体分子。

气敏陶瓷大致可分为半导体式、固体电解质式及接触燃烧式三种：

典型的气敏半导体陶瓷主要有：

氧化锌（ZnO）系气敏陶瓷氧化锡（SnO2）系气敏陶瓷氧化铁（Fe2O3）系气敏陶瓷,69/9,4.气敏陶瓷的主要分类,1）ZnO系气敏陶瓷,69/10,ZnO气敏元件的工作温度较高（450），其灵敏度和选择性也不高。

用Sb2O3、Cr2O3等掺杂并添加活性催化剂可提高其对气体的选择性。

ZnO陶瓷气敏元件对各种气体的灵敏度和选择性与催化剂的种类有关，可以通过掺杂不同的催化剂，来获得对不同气体的选择性检测。

掺Pt的ZnO气敏元件的灵敏度,69/11,掺Pd的ZnO气敏元件的灵敏度,2）SnO2系气敏陶瓷,SnO2气敏元件可在较低的温度下使用，其最高灵敏温度为300，通过添加催化剂可降低其工作温度。

SnO2气敏陶瓷对各种可燃气体都具有气敏特性，其缺点是选择性差，掺杂贵金属Pt、Pd及其氧化物后，对气体的灵敏度和选择性都有明显的提高。

SnO2气敏元件是生产量最大，应用最广的气敏元件。

69/12,系气敏陶瓷,69/13,SnO系气敏陶瓷以SnO为基材，加入催化剂、22黏结剂等，按照常规的陶瓷工艺方法制成的。

SnO粉料粉料越细，比表面积越大，对被测气2体越敏感。

SnO2元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围内这种变化十分明显，因此，对低浓度气体检测非常适宜。

SnO2材料的物理化学稳定性好，耐腐蚀，寿命长。

SnO2气敏元件对气体的检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短。

SnO2元件结构简单，成本低，可靠性好，耐震动和冲击性能好。

SnO2气体检测不需要复杂设施，待测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化成电信号，且阻值变化大，用简单电路就可实现检测。

69/14,SnO2系气敏陶瓷的优点,3）Fe2O3系气敏陶瓷,69/15,氧化铁系气敏陶瓷是20世纪80年代发展起来的，氧化铁系气敏陶瓷不需要添加贵金属催化剂就可以制成灵敏度高、稳定性好的气敏陶瓷元件。

以-Fe2O3为基的液化石油气报警器和以-Fe2O3为基的煤气报警器已进入实用化阶段。

1.气敏元件的主要性能指标气敏陶瓷元件的主要性能指标有：

初始电阻、灵敏度、响应时间、恢复时间、工作温度和寿命。

1）初始电阻初始电阻指在室温下，清洁空气中或一定浓度的检测气体中气敏元件的电阻值。

69/16,3.5.2气敏陶瓷的基本特性,灵敏度表示气敏元件对被测气体的敏感程度。

通常用元件在清洁空气中的电阻与在一定浓度被测气体中的电阻之比来表示，也可以用被测气体在两个浓度下的电阻之比来表示，即：

式中：

Rair气敏元件在清洁空气中的电阻值；

Rgas通入被测气体时气敏元件的电阻值；

Rc1被测气体浓度为0.1%时气敏元件的电阻值；

Rc2通入被测气体时气敏元件的电阻值。

2）灵敏度,69/17,响应时间响应时间表示气敏元件对被测气体的响应速度。

一般用从通入被测气体之后到元件电阻值稳定时所需要的时间表示。

恢复时间恢复时间是指被测气体解吸所需要的时间，也称脱附时间。

它表示对被测气体解吸的快慢。

恢复时间的长短对气敏元件的响应特性有直接影响。

69/18,5）工作温度,69/19,气敏元件多属化学敏感元件，因此需要创造一个适当高的温度条件，元件才能正常工作。

对工作温度的要求是：

在工作温度下，元件的阻值比较稳定，在加热温度波动时，不致使元件阻值波动，同时在接触被测气体时，元件的灵敏度高。

6）寿命元件能正常工作的时间称为它的寿命。

影响寿命的因素有催化剂的老化、中毒，及气敏陶瓷材料在使用过程中的晶粒长大等。

半导体陶瓷通常都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量比的改变而使其半导化。

其气敏特性，大多通过待测气体在陶瓷表面的附着，产生某种化学反应（如氧化、还原反应）、与表面产生电子的交换（俘获或解放电子）等作用来实现的，这种气敏现象称之为表面过程。

尽管这种表面过程在不同的半导瓷及不同的气氛中作用不尽相同，但大多与陶瓷表面氧原子（离子）的活性（结合能）的情况密切相关。

69/20,2.气敏元件的工作原理,半导体气敏传感元件有N型和P型之分。

N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；

P型阻值随气体浓度的增大而增大。

象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200300温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电导率增加。

69/21,当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；

氧脱附放出电子，可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。

可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。

这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。

69/22,基本原理,以SnO2气敏元件为例，气敏电阻的温度特性如图所示，图中纵坐标为灵敏度，即由于电导率的变化所引起在负载上所得到的信号电压。

由曲线可以看出：

2,SnO在室温下虽能吸附气体，但其,电导率变化不大。

但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。

此外，在气敏元件的材料中加入微量的铅、铂、金、银等元素以及一些金属盐类催化剂可以获得低温时的灵敏度，也可增强对气体种类的选择性。

0,t（）,69/23,U,（,m,V,）,100,200,300,400,500,100200300400500600气敏电阻灵敏度与温度的关系,气敏半导瓷的气敏特性和气体的吸附作用及催化剂的催化作用有密切关系。

69/24,气敏材料对气体的吸附可以分为：

物理吸附和化学吸附两种。

物理吸附是指气体在气敏材料表面上的分子吸附状态，气体与材料表面之间的结合力主要是范德华力，它们之间没有电子交换，不形成化学键。

化学吸附是指气体在材料表面上的离子吸附状态，气体与材料表面之间的结合力主要是化学键力，它们之间有电子交换。

在一般情况下，物理吸附和化学吸附是同时存在的，在常温下物理吸附是吸附的主要形式，随着温度的增加，化学吸附也增加，在某一温度达到最大值，超过最大值后，气体解吸的几率增加，物理吸附与化学吸附同时减少。

69/25,气敏半导体检测灵敏度和温度的关系检测气体：

0.1%丙烷,69/26,为了获得较高的灵敏度和较快的响应时间，通常需要在气敏元件上加装加热丝使之在灵敏度峰值温度附近工作。

SnO2的峰值温度较低，故成为应用最广泛的半导瓷气敏材料。

69/27,N型半导体吸附气体时器件阻值的变化图,69/28,气敏元件在高温条件下工作不仅要消耗额外的加热功率，而且会增加安装成本，其至增加引起火灾的不安全因素。

为了使气敏元件能在常温下工作，必须大大提高气敏元件在常温下的灵敏度，为此要使用各种催化剂。

69/29,实验表明，在气敏半导瓷材料中添加少量催化剂后制成的气敏元件在常温下的灵敏度可以大大提高。

例如在SnO2中添加2wt%的PdCl就可以大大提高它对还原性气体的灵敏度。

催化剂,使用气敏电阻传感器，可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。

气敏电阻传感器品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

69/30,3.5.3几种常用的气敏传感器,所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。

还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。

测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。

69/31,常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。

接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；

通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。

电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。

半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。

69/32,气体传感器的分类,半导体气敏陶瓷基本特性,69/33,1）表面控制型气体传感器的结构表面控制型气体传感器有三种结构类型：

烧结型、薄膜型及厚膜型。

其中，烧结型最为成熟，薄膜型及厚膜型特性一致性较差。

这里仅介绍烧结型。

69/34,1.表面电阻控制型气体传感器,烧结型SnO2气体传感器,69/35,是用粒度在1m以下的SnO2粉末，加入少量Pd或Pt等触媒剂及添加剂，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，再埋入加热丝及电极，经600800数小时烧结后，可得多孔状的气敏元件芯体，将其引线焊接在管座上，并罩上不锈钢网制成。

按加热方式分为直热式和间热式两种,其结构与符号如下图所示。

烧结型气体传感器的结构与符号（a）直热式；

（b）间热式,69/36,烧结型SnO2气敏器件,69/37,直热式的加热丝兼作电极。

其结构简单、成本低、功耗小；

但热容量小，易受环境气流影响；

因加热丝热胀冷缩，易使之与材料接触不良；

在测量电路中，信号电路和加热电路相互干扰。

国产直热式气敏传感器有HQ型、QN型和MQ型，其外形如下图所示。

69/38,部分国产半导体气敏元件的外形图（a）HQ系列；

（b）QN系列；

（c）MQ系列,69/39,a.气敏特性：

遇H2、CO、碳氢化合物等（还原性即可燃性）气体，材料表面层电阻率减小；

遇O2等氧化性气体时，材料表面层电阻率增大。

在检测前，材料表面已经吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。

最佳工作温度一般多在200500范围内。

为使传感器能