氣敏材料的合成與

氣敏材料的合成與制備 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)化為可測量的電量信息 為人類認識和控制所需對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) 是本世紀人們在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個制高點 氣體傳感器是傳感器領(lǐng)域的一個重要分支 它是識別氣體種類并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?是氣體定量或半定量檢測 泄漏報警 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 氣體傳感器主要應用領(lǐng)域 理想氣體傳感器的特點 目前存在的問題 可靠性長期穩(wěn)定性選擇性被測氣體種類壽命 半導體氣體傳感器分類 常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器 電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等 接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲 也可表面涂鉑 鈀等稀有金屬催化層 使用時對鉑絲通以電流 保持300 400 的高溫 此時若與可燃性氣體接觸 可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒 因此 鉑絲的溫度會上升 鉑絲的電阻值也上升 通過測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熱導式氣敏傳感器a 結(jié)構(gòu)b 測量電路 電化學氣敏傳感器一般利用液體 或固體 有機凝膠等 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)生的電動勢 半導體氣敏傳感器具有靈敏度高 響應快 穩(wěn)定性好 使用簡單的特點 應用極其廣泛 半導體氣敏元件有N型和P型之分 N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減小 P型阻值隨氣體濃度的增大而增大 圖4 155氣敏電阻的測量電路 圖4 154氣敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理 半導體氣體傳感器分類 金屬氧化物半導體氣體傳感器電阻式非電阻式有機半導體氣體傳感器 半導體氣體傳感器 SnO2 ZnO是電阻式金屬氧化物半導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 屬于表面控制型 但該類半導體傳感器的使用溫度較高 大約200 5000C 為了進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 例如對于含量在1X10 5數(shù)量級的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能明顯提高響應時間 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能提高對可燃性氣體的靈敏度 加入V2O5能使其對氟里昂更加敏感 加入Ga2O3能提高對烷烴的靈敏度 研究重點 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)展前景的新型半導體氣體傳感器 2 對現(xiàn)有氣敏材料的改性研究SnO2 ZnO Fe2O3為基質(zhì)的半導體氣敏材料仍然是目前市場的主流 但這類材料的納米化 薄膜化已漸成趨勢 采用表面修飾技術(shù)和摻雜技術(shù)來改善同一基質(zhì)材料對不同氣體的選擇性和敏感性 3 開發(fā)元件的高穩(wěn)定化方法電阻式半導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)境因素對測量的影響還未得到很好的解決 4 新型氣敏材料的探索與開發(fā)由于金屬復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 所以對這類新材料的開發(fā)和研制成為半導體氣體傳感器的開發(fā)熱點 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)生的不同效應設(shè)計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 光學式氣體傳感器 石英諧振式氣體傳感器己有不少研究報導 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)展的重要趨勢和目標之一 6 氣體傳感器敏感機理的研究新的氣敏材料和新型傳感器層出不窮 需要在理論上對它們的傳感機理進行深入研究 傳感機理一旦明確 設(shè)計者便可有據(jù)可依地針對傳感器的不足之處加以改進 這必將推動氣敏材料和氣體傳感器的進一步發(fā)展 也將大大促進氣體傳感器的產(chǎn)業(yè)化進程 半導體氣敏材料的制備技術(shù) 半導體氣敏材料主要利用材料的表面吸附和表面效應而引起自身物理量的變化來進行檢測 氣敏材料的納米化是提高半導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 半導體氣敏材料的制備技術(shù) 液相法 化學沉淀法 化學沉淀法是利用各種在水中溶解的物質(zhì) 預先制成含目標化合物金屬離子的鹽溶液 在適當?shù)臈l件 酸度 濃度 溫度等 下 選擇適宜的共沉淀劑反應形成不溶物 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 液相法 相轉(zhuǎn)移法 相轉(zhuǎn)移法是在化學沉淀法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 其基本過程是 先將沉淀制成無機膠體 再用表面活性劑處理 然后用有機溶劑抽提 制得有機溶膠 經(jīng)脫水 脫有機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)點是顆粒均勻 分散好 原料回收率高 缺點是工序增加 有機溶劑消耗較多 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 有機溶劑類型與配比 金屬鹽的類型等 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 使沉淀反應分開進行 進而得到較小尺寸 不易團聚 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 液相法 溶膠 凝膠法 溶膠一凝膠法是將金屬醇鹽或無機鹽先水解 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合氧化物 溶膠一凝膠法的優(yōu)點是化學均勻性好 純度高 產(chǎn)品的組成比可控制 液相法 水解法 水解法是利用某些金屬鹽 無機鹽 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用前景 這種方法利用升溫有利于水解反應的原理 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 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 固相法 固相熱分解法 固相熱分解法是目前應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 顆粒尺寸可通過控制灼燒溫度和時間來控制 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 其分解反應如下 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)充分機械混合后 預壓成型 放入固相反應爐內(nèi) 在一定溫度下 進行化學反應而生成生成物 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乙醇的靈敏度比對CO和H2要大得多 固相法 沉淀轉(zhuǎn)換法 沉淀轉(zhuǎn)化法是把化學沉淀法制成難溶化合物 經(jīng)高溫處理進行脫水反應 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間獲得10 100nm的氣敏材料 這種方法適用于所有氫氧化物 固相法 室溫固相反應法 室溫固相化學反應法是近幾年發(fā)展起來的一種新型合成方法 該法在室溫下對反應物直接進行研磨 合成一些中間化合物 再對化合物進行適當處理得到最終產(chǎn)物 由于它從根本上消除了溶劑化作用 使反應在一個全新的化學環(huán)境下進行 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 室溫固相化學反應法既克服了傳統(tǒng)濕法存在的團聚現(xiàn)象 也克服了氣相法能耗高的缺點 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 符合21世紀材料合成綠色化 清潔化的要求 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)生物理變化或化學反應 最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法 根據(jù)納米粒子的形成機制可分為物理氣相沉積法 PVD 和化學氣相沉積法 CVD 這兩種方法在薄膜材料的制備中大量應用 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 反應的原料一般是易于揮發(fā)的無機鹽和有機化合物 也可用金屬或金屬濺射蒸發(fā) 尖晶石型氣敏材料的制備 化學共沉淀法低溫固相反應法溶膠 凝膠法 化學共沉淀法 NiFe2O4粉末樣品采用反滴定化學共沉淀法制備 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 即得NiFe2O4粉末 實驗工藝流程如圖 反滴定法化學共沉淀流程圖 結(jié)果 影響因素 1 要考慮的是溶劑 一般使用蒸餾水 電導率為2 3 s cm 或去離子水 電導率為0 2 s cm 其中后者較好 因為去離子水雜質(zhì)更少 且容易大量制備 2 是鐵鹽 鎳鹽濃度比 控制適當?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 熱處理溫度是一個很重要的影響因素 要能保證鎳 鐵氧化物能夠發(fā)生反應 并最終使共沉淀粉末反應生成尖晶石結(jié)構(gòu)的NiFe204材料 低溫固相反應法 采用分析純FeSO4 7H2O NiSO4 6H2O和NaOH為原料 先將三種反應物單獨研磨以減小反應物的粒度 增加活性 使固相反應容易進行 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 隨研磨的進行 開始階段反應劇烈 反應物中的結(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 將前驅(qū)體在空氣管式爐中進行600 熱處理1h 得到的產(chǎn)物用去離子水洗滌 直至用FP640火焰光度計檢測濾液中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火焰光度計檢測濾液中Na 的含量少于0 5 質(zhì)量分數(shù) 然后干燥 在空氣管式爐中進行600 熱處理1h 兩種方法最終均可得到紅褐色的NiFe2O4納米粉末 先熱處理后抽濾粉體的掃描電鏡照片 先抽濾后熱處理粉體的掃描電鏡照片 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)生化學反應 因而反應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 反應機理探討 采用這兩種方法制備鐵酸鎳納米材料 即首先要經(jīng)化學反應得到高分散的 易分解的前驅(qū)體 然后通過前驅(qū)體熱分解反應制得樣品 Fe2O3和NiO固相反應生成NiFe2O4 是沒有中間產(chǎn)物的一種簡單反應 高溫下NiO和Fe2O3接觸 首先在接觸的界面上形成鎳鐵氧體 新相的生成的進程需依賴擴散輸運物質(zhì)來維持 所以新相的生成的速度受擴散反應控制 逐漸生成NiFe2O4產(chǎn)物層 把NiO和Fe2O3分隔開來 反應要繼續(xù)進行就要依賴于通過產(chǎn)物層的擴散 假設(shè)產(chǎn)物層中沒有裂隙 擴散必須通過NiFe2O4晶格進行 于是可以有各種模式 最簡單的模式是認為氧離了的擴散系數(shù)比金屬離子的擴散系數(shù)小得多 因而可以把氧離子看成不動 擴散的離子是Fe3 和Ni2 它們通過產(chǎn)物層作相對擴散 反應是在產(chǎn)物層與反應物之間的界面上進行 在界面上反應如下 結(jié)果是新相生成過程是O2 通過界面近旁的短程擴散形成ABCABC 的立方密排并不斷延伸 Fe3 通過不斷擴散以等比例占據(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) 且通過擴散 很容易在較低溫度下就能生成粒徑小的NiFe2O4新相 溶膠 凝膠法 按化學計量比 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 充分攪拌 然后在一定溫度下緩慢蒸發(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行熱處理 后緩慢冷卻 可制備得到紅棕色納米晶 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間 結(jié)果 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 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 測量絲 加熱絲和測量絲都直接埋在基體材料內(nèi) 工作時加熱絲通電加熱 測量絲用于測量器件阻值 這種類型器件的優(yōu)點是 制備工藝簡單 成本低 功耗小 可以在高回路電壓下使用 可制備價格低廉的可燃氣體泄漏報警器 直熱式氣敏器件的缺點是 1 熱容量小 易受環(huán)境氣流的影響 2 測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)下會產(chǎn)生漲縮 容易造成與材料的接觸不良 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)放進高阻加熱絲 管外涂梳狀金電極作測量極 在金電極外涂覆氣敏材料 酒精傳感器 二氧化碳傳感器 這種結(jié)構(gòu)器件克服了直熱式器件的缺點 其測量電極與加熱絲分離 加熱絲不與氣敏材料接觸 避免了測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)境氣氛對器件加熱溫度的影響 并容易保持材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 薄膜型氣敏元件 采用真空蒸發(fā)或濺射方法或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 工藝復雜 厚膜型氣敏元件 厚膜工藝制成的元件一致性好 機械強度高 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 旁熱式氣敏元件的制備工藝流程 氣敏傳感器檢測裝置 1 測試箱 是一個密閉容器 待測元件放于其中 其體積視待測元件的數(shù)量而定 通常按一只元件大于1升的體積設(shè)計 測試箱材料要選擇與載氣和待測氣體不發(fā)生化學反應的金屬或玻璃 2 清凈空氣 測試中使用的 空氣 要求是 清凈空氣 清凈空氣 其成分是有嚴格規(guī)定的 實際應用中可將純氮和純氧按一定比例混合起來模擬清凈空氣 標定元件的起始值R 或Vo 元件在清凈空氣中額定負載電阻兩端的電壓 可在清凈空氣中進行 但實際測量也可近似地在無污染的空氣中進行標定元件的起始值R 或Vo 3 待測氣體 根據(jù)所需要的量用取樣器將需要的氣體注入箱內(nèi) 若待測氣體的始態(tài)為液體 如酒精 汽油等 可用注射器或微量進樣器將所需要的待測物注入箱內(nèi) 箱內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)裝置 也可在箱內(nèi)裝一小型電風扇代替 使之揮發(fā)并均勻地分布于箱內(nèi) 這時所測得的元件電阻 即為元件在該種氣體的某一濃度下的電阻值Rg 也可讀出此時負載電阻兩端的電壓 4 氣體濃度監(jiān)測 在精確測定時 可采用紅外濃度計或光干涉式濃度計對測試箱內(nèi)的氣體取樣分析或監(jiān)測 5 排風扇 排氣能力要保證每分鐘排氣量大于測試箱體積的十倍 6 電源 為滿足一定精度和一定帶負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 氣體傳感器的主要性能指標 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載電阻RL兩端的輸出電壓值 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氣體中的電阻值 Rg Vc Vg RL Vg式中Vg為傳感器在檢測氣體中負載電阻RL兩端的輸出電壓值 3 靈敏度 就物理意義而言 氣體傳感器的靈敏度是指器件對被檢測氣體的敏感程度 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氣體中的電阻之比來表示靈敏度 即 Ro Rg 不同氣體靈敏度與工作溫度的關(guān)系 4 響應時間tres響應時間也是氣體傳感器的一個重要特性參數(shù) 它體現(xiàn)了氣體傳感器對被檢測氣體的響應速度 通常把從傳感器接觸一定濃度的被測氣體開始到其阻值達到該濃度下穩(wěn)定值的時間 定義為響應時間tres 也可采用接觸待測氣體開始到其阻值達到穩(wěn)定值的某一百分值的時間 5 恢復時間trec恢復時間表示氣體傳感器對被測氣體的脫附速度 又稱脫附時間 通常把傳感器從脫離檢測氣體開始 到其阻值恢復到該濃度下潔凈空氣中的電阻值的時間 定義恢復時間 用trec表示 也可采用脫離待測氣體開始到其阻值恢復到穩(wěn)定值的某一百分值的時間 響應 恢復曲線 6 初期穩(wěn)定時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到穩(wěn)定所需的時間 稱為初期穩(wěn)定時間 7 分辨率a分辨率表示氣體傳感器對不同氣體的選擇性 通常定義為 a g l式中 g為傳感器對某一濃度檢測對象氣體的靈敏度 l是傳感器對某一濃度干擾氣體的靈敏度 當同濃度的幾種氣體共存時 傳感器對某種氣體具有較高的靈敏度 而對其余幾種氣體的靈敏度比較低 就說明這種傳感器對靈敏度高的氣體具有較好的選擇性 如測得1000ppm丙酮和酒精的靈敏度分別為 丙酮 20 酒精 2 分辨率a 10 通常 a值越大 說明傳感器選擇性越好 8 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指當氣體濃度不變時 若其他環(huán)境條件發(fā)生變化 在規(guī)定的時間內(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 靈敏度等會發(fā)生變化 或升或降 一般要求氣體傳感器經(jīng)過3個月的存放必須再經(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現(xiàn) 9 壽命壽命指的是氣體傳感器能維持正常工作的時間 SnO2氣敏機理 S Saukkoa對O2與SnO2表面相互作用狀態(tài)進行了研究 結(jié)果表明 在一定的溫度下物理吸附的O2轉(zhuǎn)化為化學吸附的O2 和O 等 氧化物表面氧吸附態(tài)的相對含量與工作溫度有關(guān) 且隨溫度的升高有如下趨勢 O2 O2 2O O2 當元件遇到還原性氣體時 還原性氣體在半導體材料表面發(fā)生吸附并與吸附氧發(fā)生反應 并放出電子 例如 6On ads C2H5OH 2CO2 3H2O 6ne這些電子重新進入半導體導帶中 使材料的電導增加 實現(xiàn)對氣體的檢測 由此可見 氣敏元件要達到檢測目標氣體的目的 則目標氣體必須與SnO2上吸附的負氧離子發(fā)生化學反應 這是氣敏材料工作的基本原理 圖為防止酒后開車控制器原理圖 圖中QM J1為酒敏元件 若司機沒喝酒 在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S 此時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K2 2閉合 發(fā)光二極管VD1通 發(fā)綠光 能點火啟動發(fā)動機 若司機酗酒 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 同時常閉觸點K2 1斷開 無法啟動發(fā)動機 若司機拔出氣敏器件 繼電器K1線圈失電 其常開觸點K1 1斷開 仍然無法啟動發(fā)動機 常閉觸點K1 2的作用是長期加熱氣敏器件 保證此控制器處于準備工作的狀態(tài) 5G1555為集成定時器 MFe2O4半導體材料的氣敏機理 n MFe2O4半導體材料的氣敏機理p MFe2O4半導體材料的氣敏機理 n MFe2O4半導體材料的