氣敏材料的合成與演示文稿

氣敏材料的合成與演示文稿當(dāng)前第1頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)氣敏材料的合成與當(dāng)前第2頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)氣敏材料研究背景傳感器作為人類探知自然界信息的觸角，它可將人類需要探知的非電量信息轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電量信息，為人類認(rèn)識(shí)和控制所需對(duì)象提供了條件和依據(jù)。作為現(xiàn)代信息技術(shù)核心之一的傳感技術(shù)，是本世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。氣體傳感器是傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它是識(shí)別氣體種類并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件，是氣體定量或半定量檢測(cè)，泄漏報(bào)警、控制等的理想探頭。氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的;可以是單一的構(gòu)件，也可以是許多傳感器的組合陣列。

當(dāng)前第3頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)氣體傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)前第4頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)理想氣體傳感器的特點(diǎn)當(dāng)前第5頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)目前存在的問題可靠性長期穩(wěn)定性選擇性被測(cè)氣體種類壽命當(dāng)前第6頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)半導(dǎo)體氣體傳感器分類常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300℃～400℃的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。圖4-156熱導(dǎo)式氣敏傳感器a）結(jié)構(gòu)b）測(cè)量電路當(dāng)前第7頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機(jī)凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛；半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減??；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。圖4-155氣敏電阻的測(cè)量電路圖4-154氣敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理當(dāng)前第8頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)半導(dǎo)體氣體傳感器分類金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器電阻式非電阻式有機(jī)半導(dǎo)體氣體傳感器當(dāng)前第9頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)半導(dǎo)體氣體傳感器當(dāng)前第10頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)SnO2,ZnO是電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器氣敏材料的典型代表，它們兼有吸附和催化雙重效應(yīng)，屬于表面控制型，但該類半導(dǎo)體傳感器的使用溫度較高，大約200-5000C。為了進(jìn)一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通常向基體材料中添加一些貴金屬(如Ag,Au,Pt等)，激活劑及粘接劑Al2O3,SiO2,ZrO2等。

當(dāng)前第11頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)例如對(duì)于含量在1X10-5數(shù)量級(jí)的H2S氣體，添加1%ZrO2的SnO2氣體傳感器與未添加ZrO2的元件相比，靈敏度增加約50倍左右；在SnO2中添加Pt能明顯提高響應(yīng)時(shí)間；采用粉末濺射技術(shù)制備的表面層摻雜SnO2/SnO2:Pt雙層膜材料氣體傳感器用來檢測(cè)CO的濃度，發(fā)現(xiàn)可降低工作溫度，在室溫~200℃內(nèi)均顯示出較高的靈敏度；通過添加不同的添加劑還能改善氣體傳感器的選擇性，在ZnO中添加Ag能提高對(duì)可燃性氣體的靈敏度，加入V2O5能使其對(duì)氟里昂更加敏感，加入Ga2O3能提高對(duì)烷烴的靈敏度。當(dāng)前第12頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)研究重點(diǎn)（1）智能化近年來采用薄膜技術(shù)和集成電路技術(shù)把加熱元件、溫度傳感器、叉指電極、氣體敏感膜集成在硅襯底上制成的傳感器，不僅靈敏度比常規(guī)多晶膜傳感器高得多，并且結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，還可以根據(jù)被測(cè)氣體選擇不同的敏感膜，使得該類傳感器成為很有發(fā)展前景的新型半導(dǎo)體氣體傳感器。當(dāng)前第13頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（2）對(duì)現(xiàn)有氣敏材料的改性研究SnO2,ZnO,Fe2O3為基質(zhì)的半導(dǎo)體氣敏材料仍然是目前市場(chǎng)的主流，但這類材料的納米化、薄膜化已漸成趨勢(shì)；采用表面修飾技術(shù)和摻雜技術(shù)來改善同一基質(zhì)材料對(duì)不同氣體的選擇性和敏感性。當(dāng)前第14頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（3）開發(fā)元件的高穩(wěn)定化方法電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器的氣敏元件一般暴露在大氣中及加熱元件的電壓值決定了氣敏元件的工作溫度，如何消除濕度和溫度等環(huán)境因素對(duì)測(cè)量的影響還未得到很好的解決。當(dāng)前第15頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（4）新型氣敏材料的探索與開發(fā)由于金屬復(fù)合氧化物和混合金屬氧化物新材料具有更高的穩(wěn)定性和選擇性，所以對(duì)這類新材料的開發(fā)和研制成為半導(dǎo)體氣體傳感器的開發(fā)熱點(diǎn)。當(dāng)前第16頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（5）開發(fā)新型氣體傳感器根據(jù)氣體與氣敏材料可能產(chǎn)生的不同效應(yīng)設(shè)計(jì)出新型氣體傳感器是氣體傳感器未來發(fā)展的重要方向和后勁。近年來表面聲波氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、石英諧振式氣體傳感器己有不少研究報(bào)導(dǎo)。目前仿生氣體傳感器也在研究中。警犬的鼻子就是一種靈敏度和選擇性都非常好的理想氣敏傳感器，結(jié)合仿生學(xué)和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的“電子鼻”將是氣體傳感器發(fā)展的重要趨勢(shì)和目標(biāo)之一。當(dāng)前第17頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（6）氣體傳感器敏感機(jī)理的研究新的氣敏材料和新型傳感器層出不窮，需要在理論上對(duì)它們的傳感機(jī)理進(jìn)行深入研究。傳感機(jī)理一旦明確，設(shè)計(jì)者便可有據(jù)可依地針對(duì)傳感器的不足之處加以改進(jìn)，這必將推動(dòng)氣敏材料和氣體傳感器的進(jìn)一步發(fā)展，也將大大促進(jìn)氣體傳感器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。當(dāng)前第18頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)當(dāng)前第19頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)半導(dǎo)體氣敏材料的制備技術(shù)半導(dǎo)體氣敏材料主要利用材料的表面吸附和表面效應(yīng)而引起自身物理量的變化來進(jìn)行檢測(cè)。氣敏材料的納米化是提高半導(dǎo)體氣體傳感器性能的主要手段之一，通過控制材料的顆粒尺寸可控制材料的氣體敏感程度。根據(jù)制備原料的狀態(tài)可分為液相法、固相法和氣相法。當(dāng)前第20頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)半導(dǎo)體氣敏材料的制備技術(shù)當(dāng)前第21頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)液相法－化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法是利用各種在水中溶解的物質(zhì)，預(yù)先制成含目標(biāo)化合物金屬離子的鹽溶液，在適當(dāng)?shù)臈l件(酸度、濃度、溫度等)下，選擇適宜的共沉淀劑反應(yīng)形成不溶物，沉淀洗滌后，再經(jīng)熱處理制得所需的金屬氧化物或復(fù)合氧化物粉體。該法依工藝過程的不同又可分為共沉淀法、均相沉淀法、水解沉淀法等。當(dāng)前第22頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)液相法－相轉(zhuǎn)移法相轉(zhuǎn)移法是在化學(xué)沉淀法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其基本過程是:先將沉淀制成無機(jī)膠體，再用表面活性劑處理，然后用有機(jī)溶劑抽提，制得有機(jī)溶膠，經(jīng)脫水，脫有機(jī)溶劑即可制得納米氣敏材料。用這種方法制備納米氣敏材料的優(yōu)點(diǎn)是顆粒均勻、分散好、原料回收率高。缺點(diǎn)是工序增加、有機(jī)溶劑消耗較多，需注意回收。相轉(zhuǎn)移法的工藝影響因素有:成膠pH值、表面活性劑類型與濃度、有機(jī)溶劑類型與配比、金屬鹽的類型等。當(dāng)前第23頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)液相法－乳液法乳液法是用表面活性劑分散溶液中的金屬離子，使沉淀反應(yīng)分開進(jìn)行，進(jìn)而得到較小尺寸、不易團(tuán)聚、結(jié)構(gòu)均勻的納米材料。若再加入助表面活性劑和油相，能得到透明的微乳液，用微乳液沉淀法制納米材料效果更好，但試劑消耗量較大，生產(chǎn)成本較高。乳液法的工藝影響因素主要是表面活性劑類型與濃度、助表面活性劑類型與含量、金屬離子的濃度、沉淀劑的類型與濃度等。當(dāng)前第24頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)液相法－溶膠-凝膠法溶膠一凝膠法是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽先水解，再使溶質(zhì)聚合凝膠化，接著干燥、焙燒，最后得到氧化物或復(fù)合氧化物。溶膠一凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)均勻性好、純度高、產(chǎn)品的組成比可控制。當(dāng)前第25頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)液相法－水解法水解法是利用某些金屬鹽(無機(jī)鹽、醇鹽等)的溶液常溫或升溫水解后生成的氫氧化物或水合物沉淀經(jīng)分解脫水來制備純度極高的納米氣敏材料。常溫水解法用得比較多，如無水SnCl4,TiCI4制Sn02,Ti02,Ti(OC4H9)制Ti02等。升溫水解法制備氣敏材料的例子較少，但。a-Fe2O3的升溫水解制備卻顯示了較好的應(yīng)用前景。這種方法利用升溫有利于水解反應(yīng)的原理，使金屬離子在高溫下均勻水解，得到的產(chǎn)物直接是氧化物，顆粒小而且均勻，還可以降低氧化鐵的阻值并提高氣體靈敏度。當(dāng)前第26頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)液相法－噴霧分解和冷凍干燥噴霧熱分解法和冷凍干燥法是將一定配比的金屬鹽溶液用噴霧器分散在熱的或冷的容器表面上，然后快速蒸發(fā)，升華去掉溶劑，并加熱分解得到均勻的氧化物納米粉。當(dāng)前第27頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)固相法－固相熱分解法固相熱分解法是目前應(yīng)用較廣的氣敏材料制備方法，用這種方法制得的材料顆粒尺寸一般在10一100nm之間，具有工藝簡單，容易分離收集的優(yōu)點(diǎn)。顆粒尺寸可通過控制灼燒溫度和時(shí)間來控制。固相熱分解物的原料可以用市售的含氧酸、銨鹽、硝酸鹽等，也可以用自己合成的水合物、碳酸鹽、草酸鹽等，熱分解的溫度一般應(yīng)小于6000C，否則能耗高、顆粒大。采用市售原料制備氣敏材料的一個(gè)典型例子是制備WO3，分解物可以是市售的鎢酸或鎢酸按，其分解反應(yīng)如下:當(dāng)前第28頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)固相法－固相合成法固相合成法是將兩種或兩種以上的化合物，經(jīng)充分機(jī)械混合后，預(yù)壓成型，放入固相反應(yīng)爐內(nèi)，在一定溫度下，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成生成物，再經(jīng)研磨成氣敏材料粉體的方法。用這種方法制成的粉末大多數(shù)是復(fù)合氧化物，有鈣鈦礦ABO3和K2NiF4型(A2BO4)兩種結(jié)構(gòu)。O.K.Tan等利用高能球磨技術(shù)，制備了非平衡態(tài)納米晶xSnO2一(1-x)Fe203粉體，并且發(fā)現(xiàn)用其制成的氣敏元件對(duì)乙醇的靈敏度比對(duì)CO和H2要大得多。當(dāng)前第29頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)固相法－沉淀轉(zhuǎn)換法沉淀轉(zhuǎn)化法是把化學(xué)沉淀法制成難溶化合物，經(jīng)高溫處理進(jìn)行脫水反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成氧化物氣敏材料，控制好轉(zhuǎn)化熱處理溫度和保溫時(shí)間獲得10~100nm的氣敏材料，這種方法適用于所有氫氧化物。當(dāng)前第30頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)固相法－室溫固相反應(yīng)法室溫固相化學(xué)反應(yīng)法是近幾年發(fā)展起來的一種新型合成方法。該法在室溫下對(duì)反應(yīng)物直接進(jìn)行研磨，合成一些中間化合物，再對(duì)化合物進(jìn)行適當(dāng)處理得到最終產(chǎn)物。由于它從根本上消除了溶劑化作用，使反應(yīng)在一個(gè)全新的化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行，因而有可能獲得在溶液中不能得到的物質(zhì)。與液相法和氣相法相比，室溫固相化學(xué)反應(yīng)法既克服了傳統(tǒng)濕法存在的團(tuán)聚現(xiàn)象，也克服了氣相法能耗高的缺點(diǎn)，充分體現(xiàn)了固相合成無需溶劑、產(chǎn)率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，符合21世紀(jì)材料合成綠色化、清潔化的要求。當(dāng)前第31頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)氣相法氣相法是直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法。根據(jù)納米粒子的形成機(jī)制可分為物理氣相沉積法(PVD)和化學(xué)氣相沉積法(CVD)。這兩種方法在薄膜材料的制備中大量應(yīng)用，若要制備納米粉，必須提高沉積速度。高能的提供方式可以是電阻加熱、高頻感應(yīng)加熱、等離子體加熱、電子束加熱、激光加熱和微波加熱等。反應(yīng)的原料一般是易于揮發(fā)的無機(jī)鹽和有機(jī)化合物，也可用金屬或金屬濺射蒸發(fā)。當(dāng)前第32頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)尖晶石型氣敏材料的制備化學(xué)共沉淀法低溫固相反應(yīng)法溶膠－凝膠法當(dāng)前第33頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)化學(xué)共沉淀法NiFe2O4粉末樣品采用反滴定化學(xué)共沉淀法制備。室溫下，將分析純FeSO4

·7H2O和NiCl2

·6H2O按固定的摩爾比n(Fe2+):n(Ni2+)=2:1混合后溶解在去離子水中，加入少量聚乙二醇(<PEG600)作為分散劑，攪拌均勻，制成溶液A;稱取一定量的KOH,溶解在去離子水中，攪拌均勻，制成溶液B。把溶液B倒入反應(yīng)釜中并加熱至沸騰，然后滴加溶液A并不斷攪拌。沉淀后用去離子水多次洗滌，80℃干燥，再將其干燥的共沉淀粉末分別在350℃,400℃,500℃,600℃和700℃條件下熱處理1小時(shí)，即得NiFe2O4粉末。實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖.當(dāng)前第34頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)反滴定法化學(xué)共沉淀流程圖當(dāng)前第35頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)結(jié)果當(dāng)前第36頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)影響因素1)要考慮的是溶劑，一般使用蒸餾水(電導(dǎo)率為2～3μs/cm)或去離子水(電導(dǎo)率為0.2μs/cm)，其中后者較好，因?yàn)槿ルx子水雜質(zhì)更少，且容易大量制備；2)是鐵鹽、鎳鹽濃度比，控制適當(dāng)?shù)谋壤员ＷC最終產(chǎn)品的生成;3)共沉淀劑種類的選擇取決于沉淀效果，要保證能夠沉淀出氫氧化物，并且具有良好的pH調(diào)節(jié)能力;4)熱處理溫度是一個(gè)很重要的影響因素，要能保證鎳、鐵氧化物能夠發(fā)生反應(yīng)，并最終使共沉淀粉末反應(yīng)生成尖晶石結(jié)構(gòu)的NiFe204材料。當(dāng)前第37頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)低溫固相反應(yīng)法采用分析純FeSO4·7H2O、NiSO4·6H2O和NaOH為原料，先將三種反應(yīng)物單獨(dú)研磨以減小反應(yīng)物的粒度，增加活性，使固相反應(yīng)容易進(jìn)行，按FeSO4·7H2O︰NiSO4·6H2O︰NaOH摩爾比為1︰2︰6稱取，置于瑪瑙研缽中，充分混合，均勻用力研磨30min，隨研磨的進(jìn)行，開始階段反應(yīng)劇烈，反應(yīng)物中的結(jié)晶水析出，由開始的粉末狀變粘液狀；約10min后反應(yīng)趨于緩和，慢慢由粘液狀又變?yōu)檎硥K狀；再繼續(xù)研磨，逐漸變干，最后得到黃褐色的塊狀前驅(qū)體。當(dāng)前第38頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)將前驅(qū)體在空氣管式爐中進(jìn)行600℃熱處理1h，得到的產(chǎn)物用去離子水洗滌，直至用FP640火焰光度計(jì)檢測(cè)濾液中Na+的含量少于0.5wt%，后干燥。將前驅(qū)體用去離子水洗滌，直至用FP640火焰光度計(jì)檢測(cè)濾液中Na+的含量少于0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，然后干燥，在空氣管式爐中進(jìn)行600℃熱處理1h。兩種方法最終均可得到紅褐色的NiFe2O4納米粉末。當(dāng)前第39頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)先熱處理后抽濾粉體的掃描電鏡照片當(dāng)前第40頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)先抽濾后熱處理粉體的掃描電鏡照片當(dāng)前第41頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)影響因素由于采用研磨的方法使含結(jié)晶水的固體顆粒首先脫水，在微小的水浴內(nèi)固相顆粒之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而反應(yīng)的熱控問題還有待解決。形成的前驅(qū)體處理方式及熱處理溫度。當(dāng)前第42頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)反應(yīng)機(jī)理探討采用這兩種方法制備鐵酸鎳納米材料，即首先要經(jīng)化學(xué)反應(yīng)得到高分散的、易分解的前驅(qū)體，然后通過前驅(qū)體熱分解反應(yīng)制得樣品。當(dāng)前第43頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)Fe2O3和NiO固相反應(yīng)生成NiFe2O4，是沒有中間產(chǎn)物的一種簡單反應(yīng)，高溫下NiO和Fe2O3接觸，首先在接觸的界面上形成鎳鐵氧體，新相的生成的進(jìn)程需依賴擴(kuò)散輸運(yùn)物質(zhì)來維持，所以新相的生成的速度受擴(kuò)散反應(yīng)控制。逐漸生成NiFe2O4產(chǎn)物層，把NiO和Fe2O3分隔開來，反應(yīng)要繼續(xù)進(jìn)行就要依賴于通過產(chǎn)物層的擴(kuò)散。假設(shè)產(chǎn)物層中沒有裂隙，擴(kuò)散必須通過NiFe2O4晶格進(jìn)行，于是可以有各種模式。最簡單的模式是認(rèn)為氧離了的擴(kuò)散系數(shù)比金屬離子的擴(kuò)散系數(shù)小得多，因而可以把氧離子看成不動(dòng)，擴(kuò)散的離子是Fe3+和Ni2+，它們通過產(chǎn)物層作相對(duì)擴(kuò)散，反應(yīng)是在產(chǎn)物層與反應(yīng)物之間的界面上進(jìn)行，在界面上反應(yīng)如下:當(dāng)前第44頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)結(jié)果是新相生成過程是O2-通過界面近旁的短程擴(kuò)散形成ABCABC…的立方密排并不斷延伸，F(xiàn)e3+通過不斷擴(kuò)散以等比例占據(jù)氧八面體和氧四面體的中心，而Ni2+通過不斷擴(kuò)散全部占據(jù)氧八面體，形成NiFe2O4新相并不斷長大，因NiO和Fe2O3為納米顆粒，其比表面積大，相互間的接觸面大，處于高(自由)能態(tài)，且通過擴(kuò)散，很容易在較低溫度下就能生成粒徑小的NiFe2O4新相。當(dāng)前第45頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)溶膠－凝膠法按化學(xué)計(jì)量比（摩爾比）2：1稱取一定量的Fe(NO3)3·9H2O、Ni(NO3)2·6H2O，分別用少量去離子水溶解后制得混合透明混合溶液A；稱取一定量檸檬酸使其與無機(jī)鹽保持一定的摩爾比3：1，制成溶液B；將兩種溶液混合，調(diào)節(jié)PH值，充分?jǐn)嚢瑁缓笤谝欢囟认戮徛舭l(fā)水分，得到透明的溶膠；該溶膠在真空干燥箱中加熱脫水后得到棕紅色干凝膠。將干膠在加熱爐中進(jìn)行熱處理，后緩慢冷卻，可制備得到紅棕色納米晶。當(dāng)前第46頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)影響因素溶液PH值的選擇；溶膠形成的溫度及干燥的溫度；干凝膠熱處理溫度及時(shí)間。當(dāng)前第47頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)結(jié)果當(dāng)前第48頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)單元件結(jié)構(gòu)氣體傳感器按制作工藝可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型。燒結(jié)型氣敏器件按其加熱方式不同，又分為兩種:直熱式和旁熱式氣敏器件。當(dāng)前第49頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)直熱式直熱式器件又稱內(nèi)熱式器件，其結(jié)構(gòu)如圖所示，器件管芯由三部分組成基體材料、加熱絲、測(cè)量絲。加熱絲和測(cè)量絲都直接埋在基體材料內(nèi)。工作時(shí)加熱絲通電加熱。測(cè)量絲用于測(cè)量器件阻值。當(dāng)前第50頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)這種類型器件的優(yōu)點(diǎn)是：制備工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高回路電壓下使用，可制備價(jià)格低廉的可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器。直熱式氣敏器件的缺點(diǎn)是：(1)熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響。(2)測(cè)量回路與加熱回路間沒有隔離，互相影響。(3)加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生漲縮，容易造成與材料的接觸不良。當(dāng)前第51頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)旁熱式這種結(jié)構(gòu)器件和剖示圖如圖所示。陶瓷管起載體和支撐作用，在管內(nèi)放進(jìn)高阻加熱絲，管外涂梳狀金電極作測(cè)量極，在金電極外涂覆氣敏材料。當(dāng)前第52頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)酒精傳感器二氧化碳傳感器當(dāng)前第53頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)這種結(jié)構(gòu)器件克服了直熱式器件的缺點(diǎn)，其測(cè)量電極與加熱絲分離，加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測(cè)量回路與加熱回路之間的相互影響。而且，器件熱容量大，降低了環(huán)境氣氛對(duì)器件加熱溫度的影響，并容易保持材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當(dāng)前第54頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)薄膜型氣敏元件采用真空蒸發(fā)或?yàn)R射方法或CVD法在制有柵電極的石英基片上形成一薄層氧化物半導(dǎo)體薄膜。這種薄膜為物理性附著系統(tǒng)，設(shè)備投資大，工藝復(fù)雜。當(dāng)前第55頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)厚膜型氣敏元件厚膜工藝制成的元件一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)，設(shè)備投資小，工藝簡單，是一種有前途的器件。當(dāng)前第56頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)旁熱式氣敏元件的制備工藝流程當(dāng)前第57頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)氣敏傳感器檢測(cè)裝置當(dāng)前第58頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（1）測(cè)試箱:是一個(gè)密閉容器，待測(cè)元件放于其中，其體積視待測(cè)元件的數(shù)量而定。通常按一只元件大于1升的體積設(shè)計(jì)。測(cè)試箱材料要選擇與載氣和待測(cè)氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的金屬或玻璃。（2）清凈空氣:測(cè)試中使用的“空氣”要求是“清凈空氣”。清凈空氣，其成分是有嚴(yán)格規(guī)定的。實(shí)際應(yīng)用中可將純氮和純氧按一定比例混合起來模擬清凈空氣。標(biāo)定元件的起始值R?；騐o(元件在清凈空氣中額定負(fù)載電阻兩端的電壓)可在清凈空氣中進(jìn)行。但實(shí)際測(cè)量也可近似地在無污染的空氣中進(jìn)行標(biāo)定元件的起始值R?；騐o。當(dāng)前第59頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（3）待測(cè)氣體:根據(jù)所需要的量用取樣器將需要的氣體注入箱內(nèi)。若待測(cè)氣體的始態(tài)為液體(如酒精、汽油等)，可用注射器或微量進(jìn)樣器將所需要的待測(cè)物注入箱內(nèi)，箱內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)裝置(也可在箱內(nèi)裝一小型電風(fēng)扇代替)，使之揮發(fā)并均勻地分布于箱內(nèi)。這時(shí)所測(cè)得的元件電阻，即為元件在該種氣體的某一濃度下的電阻值Rg(也可讀出此時(shí)負(fù)載電阻兩端的電壓)。當(dāng)前第60頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（4）氣體濃度監(jiān)測(cè):在精確測(cè)定時(shí)，可采用紅外濃度計(jì)或光干涉式濃度計(jì)對(duì)測(cè)試箱內(nèi)的氣體取樣分析或監(jiān)測(cè)。（5）排風(fēng)扇:排氣能力要保證每分鐘排氣量大于測(cè)試箱體積的十倍。（6）電源:為滿足一定精度和一定帶負(fù)載能力要求的直流穩(wěn)壓電源，其中VH為0～10V可調(diào)，Vo為0～20V可調(diào)。（7）RL:RL為負(fù)載電阻兼作電壓取樣電阻，要求用高精度金屬膜電阻，該電阻的阻值要不受環(huán)境溫度、濕度和氣氛變化的影響。當(dāng)前第61頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)氣體傳感器的主要性能指標(biāo)(1)固有電阻R0固有電阻值是電阻式陶瓷氣體傳感器的一個(gè)基本參數(shù)，它指的是氣體傳感器在潔凈空氣中的電阻值。所謂潔凈空氣是指用高純氮和氧按一定比例混合配制的混合氣體。但為方便起見，通常以清潔無污染的空氣代替。R0＝(Vc-Vo)RL/Vo式中V0為傳感器在潔凈空氣中負(fù)載電阻RL兩端的輸出電壓值。當(dāng)前第62頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)(2)工作電阻Rg工作電阻表示氣體傳感器在一定濃度的檢測(cè)氣體中的電阻值。Rg=(Vc-Vg)RL/Vg式中Vg為傳感器在檢測(cè)氣體中負(fù)載電阻RL兩端的輸出電壓值。當(dāng)前第63頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)(3)靈敏度β就物理意義而言，氣體傳感器的靈敏度是指器件對(duì)被檢測(cè)氣體的敏感程度，通常用氣敏器件在潔凈空氣中的電阻與在一定濃度的檢測(cè)氣體中的電阻之比來表示靈敏度β，即

β=Ro/Rg當(dāng)前第64頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)不同氣體靈敏度與工作溫度的關(guān)系當(dāng)前第65頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)(4)響應(yīng)時(shí)間tres響應(yīng)時(shí)間也是氣體傳感器的一個(gè)重要特性參數(shù)。它體現(xiàn)了氣體傳感器對(duì)被檢測(cè)氣體的響應(yīng)速度。通常把從傳感器接觸一定濃度的被測(cè)氣體開始到其阻值達(dá)到該濃度下穩(wěn)定值的時(shí)間，定義為響應(yīng)時(shí)間tres.也可采用接觸待測(cè)氣體開始到其阻值達(dá)到穩(wěn)定值的某一百分值的時(shí)間。當(dāng)前第66頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)(5)恢復(fù)時(shí)間trec恢復(fù)時(shí)間表示氣體傳感器對(duì)被測(cè)氣體的脫附速度，又稱脫附時(shí)間，通常把傳感器從脫離檢測(cè)氣體開始，到其阻值恢復(fù)到該濃度下潔凈空氣中的電阻值的時(shí)間，定義恢復(fù)時(shí)間，用trec表示。也可采用脫離待測(cè)氣體開始到其阻值恢復(fù)到穩(wěn)定值的某一百分值的時(shí)間。當(dāng)前第67頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)響應(yīng)－恢復(fù)曲線當(dāng)前第68頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)(6)初期穩(wěn)定時(shí)間長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件，因表面吸附空氣中的水分或者其它氣體，表面會(huì)發(fā)生變化，通電后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此，由開始通電直到氣敏元件阻值達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間，稱為初期穩(wěn)定時(shí)間。當(dāng)前第69頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)(7)分辨率a分辨率表示氣體傳感器對(duì)不同氣體的選擇性，通常定義為:a=β

g/β

l

式中β

g為傳感器對(duì)某一濃度檢測(cè)對(duì)象氣體的靈敏度，βl是傳感器對(duì)某一濃度干擾氣體的靈敏度。當(dāng)同濃度的幾種氣體共存時(shí)，傳感器對(duì)某種氣體具有較高的靈敏度，而對(duì)其余幾種氣體的靈敏度比較低，就說明這種傳感器對(duì)靈敏度高的氣體具有較好的選擇性。如測(cè)得1000ppm丙酮和酒精的靈敏度分別為β丙酮=20,β

酒精=2，分辨率a=10。通常，a值越大，說明傳感器選擇性越好。當(dāng)前第70頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)當(dāng)前第71頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)（8)穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指當(dāng)氣體濃度不變時(shí)，若其他環(huán)境條件發(fā)生變化，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)氣敏元件輸出特性維持不變的能力。穩(wěn)定性表示氣體傳感器的固有電阻和靈敏度對(duì)環(huán)境條件的承受能力。通常元件經(jīng)長期使用后，它的電阻、靈敏度等會(huì)發(fā)生變化，或升或降。一般要求氣體傳感器經(jīng)過3個(gè)月的存放必須再經(jīng)老化后方可使用，R0變化不超過±10%。穩(wěn)定性的提高可以通過摻雜、表面處理等手段來實(shí)現(xiàn)。(9)壽命壽命指的是氣體傳感器能維持正常工作的時(shí)間。當(dāng)前第72頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)SnO2氣敏機(jī)理S.Saukkoa對(duì)O2與SnO2表面相互作用狀態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在一定的溫度下物理吸附的O2轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附的O2–和O–等，氧化物表面氧吸附態(tài)的相對(duì)含量與工作溫度有關(guān)，且隨溫度的升高有如下趨勢(shì)：O2→O2–→2O–→O2–當(dāng)元件遇到還原性氣體時(shí)，還原性氣體在半導(dǎo)體材料表面發(fā)生吸附并與吸附氧發(fā)生反應(yīng)，并放出電子。例如：6On–(ads)+C2H5OH=2CO2+3H2O+6ne這些電子重新進(jìn)入半導(dǎo)體導(dǎo)帶中，使材料的電導(dǎo)增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。由此可見，氣敏元件要達(dá)到檢測(cè)目標(biāo)氣體的目的，則目標(biāo)氣體必須與SnO2上吸附的負(fù)氧離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這是氣敏材料工作的基本原理。當(dāng)前第73頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)當(dāng)前第74頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)當(dāng)前第75頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)圖為防止酒后開車控制器原理圖。圖中QM–J1為酒敏元件。若司機(jī)沒喝酒，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S，此時(shí)氣敏器件的阻值很高，Ua為高電平，U1低電平，U3高電平，繼電器K2線圈失電，其常閉觸點(diǎn)K2-2閉合，發(fā)光二極管VD1通，發(fā)綠光，能點(diǎn)火啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)前第76頁\共有85頁\編于星期二\9點(diǎn)若司機(jī)酗酒，氣敏器件的阻值急劇下降，使Ua為低電平，U1高電平，U3低電平，繼電器K2線圈通電，K2-2常開觸頭閉合，發(fā)光二極管VD2通，發(fā)紅光，以示警告，同時(shí)常閉觸點(diǎn)K2-1斷開，無法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。若司機(jī)拔出氣敏器件，繼電器K1線圈失電，其常開觸點(diǎn)K1-1斷開，仍然無法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。常閉觸點(diǎn)K1-2的作用是長期加熱氣敏器件，保證此控制器處于準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。5G