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粉体百科 | 气敏陶瓷的研究综述


来源:中国粉体网   平安

[导读]  随着现代工业的高速发展和人们生活水平的显著提高,人们使用和接触的气体越来越多,而那些易燃、易爆、有毒气体和废气既威胁到人们的生命财产,同时直接影响到人类的生存环境。因此,有效地对这些气体进行检测、监控和报警就成为迫切的任务。

中国粉体网讯 随着现代工业的高速发展和人们生活水平的显著提高,人们使用和接触的气体越来越多,而那些易燃、易爆、有毒气体和废气既威胁到人们的生命财产,同时直接影响到人类的生存环境。因此,有效地对这些气体进行检测、监控和报警就成为迫切的任务。半导体气敏陶瓷传感器具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低、使用方便等特点。


气敏陶瓷的工作原理

半导体气敏陶瓷是利用半导体陶瓷与气体接触时电阻的变化来检测低浓度气体的。半导体表面吸附气体分子时,其电导率将随半导体类型和气体分子种类的不同而变化。气体吸附一般分物理吸附和化学吸附两大类。前者吸附热低,可以是多分子层吸附,无选择性;后者吸附热高,只能是单分子吸附,有选择性。在一般情况下,物理吸附和化学吸附同时存在。在常温下物理吸附是吸附的主要形式。随着温度的升高,化学吸附增加,至某一温度达到最大值。超过最大值后,气体解吸的几率增加,物理吸附和化学吸附同时减少。

气敏陶瓷的性能

利用半导体陶瓷元件进行气体检测时,气体在半导体上的吸附和脱吸必须迅速,工作温度至少在10℃以上才会有足够大的吸脱速度,因此,元件会在较高温度下长期暴露在氧化性或还原性气氛中工作。所以要求半导体气敏陶瓷元件必须具有物理和化学的稳定性。除此之外,气敏元件还要求具有以下主要特性:气体选择性;初始稳定、气敏响应和复原特性;灵敏度及长期稳定性。

气敏陶瓷的制备方法

气体与敏感陶瓷的作用部位通常只局限于表面,故其敏感特性如电阻值与被测气体浓度的关系,就和敏感体的烧结形式(几何形状)关系甚大,常见的有薄膜型、厚膜型和多孔烧结体型。气敏薄膜的厚度一般为10-2~10-1μm,可通过化学气相沉积,或不同形式的溅射方式来制备。厚膜的膜厚为几十微米,采用浆料丝网漏印烧结法制作。用非致密烧结法制备多孔陶瓷。

气敏陶瓷的分类

气敏陶瓷一般可以分为表面效应和体效应两种类型。按制造方法和结构形式,可分为烧结型、薄膜型及厚膜型。但通常气敏陶瓷是按照使用材料的成分划分为
SnO2、ZnO2、Fe2O3等系列。常见的气敏陶瓷很多,比较典型的有氧化锡系、氧化锌系、氧化铁系等。

SnO2气敏陶瓷传感器至今仍是应用最广和性能最好的一种。它是一种表面控制型气敏材料,其比表面越大,越有利于气体吸附与表面反应,越容易获得灵敏度高、选择性好的气敏元件。目前仍在进行大量研究工作,以对它改性或改变制作工艺方法来提高性能。

ZnO2气敏陶瓷也是很重要的气敏陶瓷材料,其最突出的优点是气体选择性强。掺以Pt和Pd催化剂后,可提高其灵敏度。掺Pt后对丁烷和丙烷等气体的灵敏度高,而掺Pd的ZnO2对氢和CO的灵敏度高。

Fe2O3气敏陶瓷不需要添加贵金属催化剂就可制成灵敏度高、稳定性好、具有一定选择性、且在高温下稳定性好的气敏元件。Fe2O3气敏陶瓷主要用于检测异丁烷气体和石油液化气。

小结

从现在的水平来看,半导体气敏陶瓷元件的灵敏度高,有利于实现快速、连续及自动测量,结构及工艺简单、方便、价廉。缺点是稳定性、互换性不好,对不同气体分辨力差,在低温、常温条件下工作问题还有待进一步解决,不易实现定量检测等。

参考文献

杨冉.气敏陶瓷原理综述

张维兰.气敏陶瓷的发展及应用

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