气敏陶瓷

气敏陶瓷GasSensingCeramics制作人：刘诗凯刘鸣飞刘思刘望宏马芳马涛敏感陶瓷：敏感陶瓷是指当作用于这些材料制作的元件上的某一个外界条件，如温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这种元件上准确迅速地获得某种有用的信号。分类：热敏陶瓷，气敏陶瓷，湿敏陶瓷，压敏陶瓷，光敏陶瓷。一、为什么要发展气敏陶瓷畜牧业温室气体的检测随着现代科学技术的发展，人们所用的和接触到的气体越来越多，因此要求对这些气体的成分进行分析，检测及报警的领域也日益扩大。尤其是易燃易爆，有毒的气体，不仅直接与人们的生命财产有关，而且危及到人类生存的大气环境，所以必须要对这些气体进行严密检测，避免火灾，爆炸及大气污染等事故的发生。突发中毒事件二、气敏陶瓷分类分为半导体式（主要）和固体电解质式两大类材料的成分分类：SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2效应分类：表面效应、体效应制造方法和结构型式：烧结型、厚膜型、薄膜型。二、气敏陶瓷分类气敏陶瓷按相关性分类三、气敏陶瓷元件的结构及性能1.具有物理和化学的稳定性因为在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必须迅速。但一般的吸附在常温下比较缓慢，至少在100摄氏度以上才会有足够大的吸脱速度，为了保证元件的灵敏度，必须要求元件在比较高的温度下工作。由于在较高温度下长期暴露在氧化性或还原性气氛中，所以需要有物理化学稳定性。2.气体选择特性3.初始稳定，气敏响应和复原特性4.灵敏度及长期稳定性5.初始电阻四、吸附气体与材料电导率的关系1.气敏陶瓷的原理基于元件表面的气体吸附和随之产生的元件电导率的变化。2.吸附可分为物理吸附和化学吸附（可以让同学们回答两种吸附的区别：从单多层，是否有选择性来回答）。3.吸附气体：（1)氧化性气体：氧气（2）还原性气体：氢气、一氧化碳4.氧化性气体吸附于n型半导体气敏材料；（n型半导体：也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体）5.还原性气体吸附于p型半导体气敏材料；(p型半导体：P型半导体，也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体）五、气敏陶瓷的生产工艺1.陶瓷基板上印刷隔热层，烧结完成后，印刷加热电极和加热电阻2.印刷隔离层，烧结之后印刷测量电极及气敏层。六、典型气敏陶瓷ZnO系气敏陶瓷1.ZnO气敏陶瓷的结构及功能a.材料的结构ZnO是一种n型半导体材料，具有六方晶系的纤锌矿结构。同SnO2一样禁带（在能带结构中能态密度为零的能量区间）较宽，为3.4eV。b.材料的功能ZnO具有多种多样的功能，例如：半导体性，压电性，萤光性和光电效应等。六、典型气敏陶瓷2.ZnO气敏陶瓷的制备和分析a.材料的制备分析纯的ZnSO4·7H2O用蒸馏水溶解后，分别加入适量的氨水，草酸铵，碳酸钠和尿素溶液，充分搅拌，静置，洗涤干净后抽滤，将得到的沉淀在110℃干燥，再分别置于500℃和800℃热处理即可制得。b.材料分析用差热-热重分析法（DAT-TG）确定沉淀物的失水温度，分解温度和结晶温度等。用X射线衍射（XRD）和电子衍射（ED）分析材料的物相和晶体结构，用透射电子显微镜（TEM）观察材料的陶瓷微结构。c.分析结果经X射线衍射分析，800℃ZnO都是完整的多晶体，少量SnO2的掺杂得到ZnO，ZnSnO3（偏锡酸锌）和Zn2SnO4（锡酸锌）三种化合物的混合物。经透射电镜观察ZnO都是致密的多晶体，有棒状和颗粒状两种晶型。经电子衍射分析，棒状结晶显示完整的四方点阵结构，颗粒状结晶呈现完整的六方点阵结构。说明ZnO是由完整的小单晶组成，依照沉淀剂的不同，ZnO的微观结构略有不同。六、典型气敏陶瓷六、典型气敏陶瓷3.ZnO气敏陶瓷的应用作为气敏材料，ZnO是发现最早、也是应用最多的氧化物之一。由于ZnO的物理化学性质稳定，ZnO系半导体气敏器件的工作温度略显偏高，一般为400~500℃。在ZnO中掺入Pd，Pt和稀土等，既改善了ZnO的选择性，也提高了气体灵敏度，为此可将ZnO陶瓷制成具有高灵敏性的气敏元件。此外，ZnO陶瓷还在光催化、光电极、涂料、彩色显影、表面弹性波滤波器、橡胶塑料助剂等领域有着广泛的应用。六、典型气敏陶瓷SnO2系气敏陶瓷1.SnO2晶体结构：金红石型结构。2.SnO2作为气敏陶瓷的优点：容易获得高灵敏度，容易获得适宜的电特性。3.SnO2作为气敏陶瓷的缺点：工作温度、选择性、灵敏度等方面有待于进一步完善，且其制备要求较为严苛。4.SnO2气敏陶瓷的特点：灵敏度高，最高灵敏度的温度Tm较低，从而使这种气敏陶瓷最适于检测微量浓度气体。六、典型气敏陶瓷5.SnO2气敏陶瓷的制备：是以SnO2为基本材料，加入催化剂，粘结剂等，按照常规的陶瓷工艺方法制成的。6.SnO2的气敏特性的影响因素：颗粒尺寸，微观结构，制备方法，掺杂元素。7.纳米SnO2气敏陶瓷：大大提高传感器的灵敏度，工作温度大幅度降低，传感器尺寸变小，因此将纳米技术应用于SnO2气敏陶瓷上将具有巨大的前景。七、气敏陶瓷的应用气敏半导体陶瓷可以发现隐藏起来的有害气体，半导体蜂窝陶瓷载体的的电阻率随某一种或几种气体的浓度发生规则性的变化，其检测灵敏度通常可达百万分之一的量级或更高。半导体陶瓷的气敏特性可用来制成气敏元件，在化工、环境保护与监测、煤矿、国防、汽车、食品、电子、石油、发电等很多领域，对有害、易燃、易爆等气体实施自动检测，并报警和调控，尤其在环境保护与监测等涉及。七、气敏陶瓷的应用半导体陶瓷气敏元件可分为表面效应型和体效应型。主要有SnO2系、ZnO系、Fe203系、MgO系、Ti02系等。类型包括烧结型、厚膜型、薄膜型等。如加入不同的其他添加物，SnO2系陶瓷可制成对C2H5OH、丙酮、CO、H2敏感的气敏元件，ZnO系陶瓷可制成对C2H5OH、丙酮敏感的气敏元件，Fe203系蜂窝陶瓷可制成对可燃性气体敏感的气敏元件等。气敏元件半导体陶瓷AQS501传感器陶瓷气敏器件汽车用氧化锆基七、气敏陶瓷的应用上图为防止酒后开车控制器原理图。图中QM-J1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平，U1低电平，U3高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火启动发动机。若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1为高电平，U3低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏元件，继电器K1线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。七、气敏陶瓷的应用应用领域八、气敏陶瓷的发展前景气敏陶瓷的学术发展八、气敏陶瓷的发展前景从现在的水平来看，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。要解决现存问题需要从以下几个方面着手：1.积极开展有关气敏半导体陶瓷材料基础理论的研究。必须进一步深入地开展对上述各项的研究，才能从新的理论基础上探讨解决气敏半导体陶瓷材料各种性能问题。2.提高材料的性能，积极寻找新材料。目前，氧化锡系、氧化锌系，氧化铁系等气敏半导体陶瓷材料已实用化，但性能还有待进一步提高。3.积极开展多功能化、微型化、集成化气敏半导体陶瓷元件的研制开发。今后气敏半导体陶瓷元件的发展方向将是短，小、轻、薄型化。Thanks