第三章4(气敏陶瓷)PPT课件下载推荐.pptx

1、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

2、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，

3、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

4、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

5、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、

6、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

7、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

8、，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

9、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

10、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

11、、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

12、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

13、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

14、,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。为使传感器能在这样高的

15、温度范围内稳定工作，具有高温稳定 性的半导体材料只有金属氧化物，常见的是SnO2和ZnO。,69/40,2）烧结型气体传感器的工作特性,b.初期恢复特性及初期稳定特性：经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存放时 间及存放环境有关。存放时间愈长，初期恢复时间亦愈长，存 放715天后的初期恢复时间一般约在25 min之内。当长期存放后再通电时，在一段时间内传感器阻值一般高 出正常值20%左右，而以后慢慢恢复至正常稳定值，这一特性 称作初期稳定特性。初期稳定时间与传感器种类及工作温度有 关，直热式较长，间热式较短。,69/41,为缩短初期

16、恢复时间和初期稳定时间，在开始使用时，要进行一段时间的高温处理，同 时在构成控制电路时应加延时电路。若将气体敏感膜、加热器和温度测量探头 集成在一块硅片上，则构成集成气敏传感器。,69/42,3）主要检测对象,69/43,烧结型气体传感器主要用来检测甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等。,1）Fe2O3系列Fe2O3系列现有-Fe2O3和-Fe2O3,主要用来 检测液化石油气、煤气和天然气。-Fe2O3对水蒸汽和乙醇不灵敏，特别适合 做家庭可燃气报警器。,69/44,2.体电阻控制型气敏传感器,2）Nb2O5氧气传感器Nb2O5对氧气比较敏感。用Nb2O5制成的氧 传感器可用于检测汽车发

17、动机和锅炉等所排废气 中的氧气分压强PO2，以控制其最佳燃烧状态。,69/45,氧化物半导体传感器电导率与氧气分压强的关系曲线 如下图所示。当氧气分压强很低时，氧化物中氧原子逸出参 与氧化还原反应形成氧空位，构成施主能极，具有N型导电 性，氧气分压强越小，导电性越强。反之，氧气分压强很高 时，氧化物中氧原子过剩形成受主能极，具有P型导电性，氧气分压强越大导电性越强。氧气分压强处在中间值范围，氧气传感器属离子导电（实际上工作在N型导电的情况下），其电阻值只与氧气分 压强成正比关系。,69/46,-PO2关系曲线,69/47,氧气传感器已用于各种水质中氧溶解量的检测和汽车引 擎等各种燃烧过剩物中空

18、燃比的控制。下图为空气过剩率与氧气传感器阻值R的关系曲线，为实际空燃比与理论最佳空燃比的比值。在=1附近，氧气 分压强值急剧变化，使Nb2O5等半导体阻值突变。通过适当 电路检测和调整，可使之保持在=1的最佳工作状态。,69/48,-R关系曲线,69/49,3.5.4 气敏陶瓷电阻器的应用,69/50,气敏电阻应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石 油气、天燃气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面 的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO2等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。,气敏电阻外形,酒精传感器,其他可燃性 气体传感器,酒精测试

19、仪,呼气管,69/52,酒精传感器的选择性,69/53,气敏半导体的灵敏度特性曲线,观察右图，看一下能否说明 非线性特性对浓 度超限报警是否 有利？,69/54,家庭用煤气报警器,69/55,家庭用液化气 报警器,69/56,一氧化碳传感器,69/57,其他气体传感器,NH3传感器,69/58,甲烷传感器,氧浓度传感器,氧浓度传感器外形可用于汽车 尾气测量,69/59,汽车尾气分析,69/60,有毒气体传感器的使用,69/61,气敏陶瓷传感器人工“鼻子”,69/62,气敏陶瓷有两项特殊的本领：其一，能吸附大量气味；其二，吸附气体后会引起电导的变化。例如当遇到可燃、易爆、有毒气体时，产生电导率变

20、化，可产生电流，指示人们警惕，一旦气体消散，它的电导 值恢复正常。,如今的“电子鼻”可分辨氢气、一氧化碳、氟利昂、苯约100多种气体。当空气中占十万分之一到百万分之一的浓度，就可被它 侦察出了。因此，用气敏陶瓷制作的电子鼻，一问世立即受到人们 欢迎。,69/63,例如：用作宾馆，饭店的火警报警器，因为当着火后，会产 生二氧化碳，当二氧化碳超过正常浓度，报警器就会报警，发出铃声或用自动电话通知服务台，及时扑灭。电子鼻还参加禁毒行动，科学家已发明一种可以检查海洛因、鸦片、大麻等毒品的电子鼻，这种电子鼻灵敏度很高，它像 地雷探测器那样，只要放在包裹上，如果有毒品，指针就会 偏转。据估计，数年后这种专

21、查毒品的电子鼻将广泛应用。,69/64,可以预测，电子鼻还可以参加公安局破案和捕捉逃犯。因为，每个人的身体都有自己特有的气味，这就是公安 局利用警狗破案、捕捉逃犯的缘故。如果，把电子鼻的 分辨率提高到狗鼻那样灵敏，甚至还超过它，那么，电 子鼻可代替狗来协助破案了。,69/65,自动空气清新器,这个自动空气清新器能在室内空气污浊或有害气体达到一定浓度时，自 动产生负氧离子，保持空气清新，工作原理电路见下图。,空气自动清新器电路原理图电路分为两部分，以QMN5为中心元件的电路组成空气检测开关电路，它可以检测可 燃气体。当室内的有害气体达到一定浓度时，由于B点电位升高使VT1饱和导通，起到了检 测开关的作用。Rt为负温度系数热敏电阻，用来补偿QMN5由于温度变化引起的偏差。以 TWH8751为中心器件的电路组成负氧离子发生器，控制负氧离子的浓度。,69/66,几种常用半导体气敏器件的基本参数,69/67,QM-J3、N7、N8型气敏器件的用途、特点和主要参数,69/68,本节小结,69/69,本节要点：气敏陶瓷的背景气敏陶瓷的主要体系气敏陶瓷的基本特性几种常用的气敏传感器气敏陶瓷传感器的应用,