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在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活中,人們往往會接觸到各種各樣的氣體,需要對它們進行檢測和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制;煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警;環(huán)境污染情況的監(jiān)測;煤氣泄漏:火災報警;燃燒情況的檢測與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。
1.氣敏電阻的工作原理及其特性
氣敏電阻是一種半導體敏感器件,它是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應。
以SnO2氣敏元件為例,它是由0.1~10μm的晶體集合而成,這種晶體是作為N型半導體而工作的。在正常情況下,是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時,電子從氣體分子向半導體遷移,半導體的載流子濃度增加,因此電導率增加。而對于P型半導體來說,它的晶格是陽離子缺位
狀態(tài),當遇到可燃性氣體時其電導率則減小。
氣敏電阻的溫度特性如圖2.26所示,圖中縱坐標為
靈敏度,即由于電導率的變化所引起在負載上所得到的值
號電壓。由曲線可以看出,SnO2在室溫下雖能吸附氣體,
但其電導率變化不大。但當溫度增加后,電導率就發(fā)生較
大的變化,因此氣敏元件在使用時需要加溫。此外,在氣
敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一
些金屬鹽類催化劑可以獲得低溫時的靈敏度,也可增強對圖2.26 氣敏電阻靈敏度與溫度的關(guān)系 氣體種類的選擇性。
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氣敏電阻根據(jù)加熱的方式可分為直熱式和旁熱式兩種,直熱式消耗功率大,穩(wěn)定性較差,故應用逐漸減少。旁熱式性能穩(wěn)定,消耗功率小,其結(jié)構(gòu)上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆,因此安全可靠,其應用面較廣。
(1)氧化鋅系氣敏電阻
ZnO是屬于N型金屬氧化物半導體,也是一種應用較廣泛的氣敏器件。通過摻雜而獲得不同氣體的選擇性,如摻鉑可對異丁烷、丙烷、乙烷等氣體有較高的靈敏度,而摻鈀則對氫、一氧化碳、甲烷,煙霧等有較高的靈敏度。ZnO氣敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖2.27所示。這種氣敏元件的結(jié)構(gòu)特點是:在圓形基板上涂敷ZnO主體成分,當中加以隔膜層與催化劑分成兩層而制成。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達0.8~1.15 ml/L時,就會出現(xiàn)呼吸急促,脈搏加快,甚至暈厥等狀態(tài),達1.84ml/L時則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險,因此對一氧化碳檢測必須快而準。利用SnO2 金屬氧化物半導體氣敏材料,通過對顆粒超微細化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒,并以此為基體摻雜一定催化劑,經(jīng)適當燒結(jié)工藝進行表面修飾,制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件,能夠探測0.005%~0.5%范圍的CO氣體。
圖2.27 ZnO氣敏電阻結(jié)構(gòu) 圖2.28 γ-Fe2O3氣敏電阻結(jié)構(gòu)
1.催化劑;2.隔膜;3.ZnO涂層;4.加熱絲; 1.雙層網(wǎng)罩;2.燒結(jié)體;3.加熱線圈;4.引腳
5.絕緣基板;6.電極
(2)氧化鐵系氣敏電阻
圖2.28是γ-Fe2O3材料制成的氣敏電阻整體結(jié)構(gòu)。當還原性氣體與多孔的γ-Fe2O3接觸時,氣敏電阻的晶粒表面受到還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4,其電阻串迅速降低。這種敏感元件用于檢測烷類氣體特別靈敏。
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生活,不總是一帆風順,有些事,做著做著,就斷了;有些人,走著走著就散了,有些話,說著說著,就淡了,很多時候,誰也不是誰的主題,誰也不是誰的故事,夢醒時分,萬丈深淵邊,風口浪尖上,種種的抉擇,才深悟這風塵演繹的酸甜苦辣,我們都是路途中,無助的行者。
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