13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素
1)SnO2结构组成对气敏效应的影响 具有金红石型晶体结构,用于制作气敏元件的SnO SnO2具有金红石型晶体结构,用于制作气敏元件的SnO2,一般都 是偏离化学计量比的, 中有氧空位或锡间隙原子. 是偏离化学计量比的,在SnO2 中有氧空位或锡间隙原子.这种 结构缺陷直接影响气敏器件特征.一般地说, 中氧空位多, 结构缺陷直接影响气敏器件特征.一般地说,SnO2 中氧空位多, 气敏效应明显. 气敏效应明显. (2)SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明, 中的添加物质,对其气敏效应有明显影响. 实验证明,SnO2中的添加物质,对其气敏效应有明显影响. 10- 列出了具有不同添加物质的SnO 气敏元件的气敏效应. 表10-2列出了具有不同添加物质的SnO2气敏元件的气敏效应. (3)烧结温度和加热温度对气敏效应的影响 实验证明,制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度, 实验证明, 制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度 , 对 其气敏性能有明显影响.因此, 其气敏性能有明显影响.因此,利用元件这一特性可进行选择 检测. 检测.
13.1.3 SnO2的基本性质
物理性质: 1.SnO2 物理性质: 是一种白色粉末, SnO2 是一种白色粉末 , 密度 16- 02g/cm 为 6.16-7.02g/cm3 , 熔 点 为 1127℃ 1127℃,在更主温度下才能分 沸点高于1900 1900℃ 解,沸点高于1900℃的金属气 化物. 不溶于水, 化物.SnO2 不溶于水,能溶于 热强酸和碱. 热强酸和碱. 晶体结构: 2.SnO2晶体结构: 是金红石型结构, 是金红石型结构,具有正方晶 系对称, 系对称,其晶胞为体心正交平 行六面体, 行六面体,体心和顶角由锡离 子占据. 其晶胞结构如图10 10子占据 . 其晶胞结构如图 1016 所 示 , 晶 格 常 数 为 a=0 475nm c=0 319nm nm, nm. a=0.475nm,c=0.319nm.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理A
烧结型SnO 烧结型 SnO2 气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件. 气敏元件.制作元件的气敏材料多孔质 烧结体.在晶体中如果氧不足, SnO2 烧结体 . 在晶体中如果氧不足 , 将 出现两种情况:一是产生氧空位, 出现两种情况:一是产生氧空位,另一 种是产生锡间隙原子.但无论哪种情况, 种是产生锡间隙原子.但无论哪种情况, 在禁带靠近导带的地方形成施主能级. 在禁带靠近导带的地方形成施主能级. 这些施主能级上的电子, 这些施主能级上的电子,很容易激发到 导带而参与导电. 导带而参与导电.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理B
烧结型SnO2气敏元件的气敏部分,就是这种 N型SnO2材料晶粒形成的多孔质烧结体,其 结合模型可用图10-20表示.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
这种结构的半导体,其晶粒接触界面存在电子势垒, 其接触部(或颈部)电阻对元件电阻起支配作用. 显然,这一电阻主要取决于势垒高度和接触部形状, 亦即主要受表面状态和晶粒直径大小等的影响.
由于氧吸附力很强,因此, 气敏元件在空气中放置时, 由于氧吸附力很强,因此,SnO2气敏元件在空气中放置时 ,其表面上总 是会有吸附氧的,其吸附状态均是负电荷吸附状态.这对N 是会有吸附氧的 , 其吸附状态均是负电荷吸附状态 . 这对 N 型半导体来 形成电子势垒,使器件阻值升高. 说,形成电子势垒,使器件阻值升高. 气敏元件接触还原性气体如H CO等时 等时, 当SnO2气敏元件接触还原性气体如H2, CO 等时,被测气体则同吸附氧发 生反应,如图10 20c所示,减少了On 吸附密度,降低了势垒高度, 10On生反应,如图10-20c所示,减少了On- 吸附密度,降低了势垒高度,从 而降低了器件阻值. 而降低了器件阻值. 在添加增感剂( pd)的情况下,它可以起催化作用从而促进上述反应, 在添加增感剂(如pd)的情况下,它可以起催化作用从而促进上述反应, 提高了器件的灵敏度.增感剂作用如图10 20d所示. 10提高了器件的灵敏度.增感剂作用如图10-20d所示.
13.1.10 SnO2气敏元件的工作原理C
氧吸附在半导体表面时,吸附的氧分子从半导体表面获得电子, 氧吸附在半导体表面时,吸附的氧分子从半导体表面获得电子,形成受主型表面 能级, 能级,从而使表面带负电 e→On10-21) 1/2 O2(气)+ne→On- 吸附 (10-21)
式中On- 吸附——表示吸附氧;On——表示吸附氧 ——电子电荷 电子电荷; 式中On- 吸附——表示吸附氧;On- 吸附 ;e——电子电荷; On ;n——个数. ——个数. 个数
13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点
( 1 ) 气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关 因此,非常适用于微量低浓度气体的检测. 系.因此,非常适用于微量低浓度气体的检测. 材料的物理, 化学稳定性较好, ( 2 ) SnO2 材料的物理 , 化学稳定性较好 , 与其它类型 气敏元件(如接触燃烧式气敏元件)相比,SnO2气敏元 气敏元件(如接触燃烧式气敏元件) 相比, 件寿命长,稳定性好,耐腐蚀性强. 件寿命长,稳定性好,耐腐蚀性强. 气敏元件对气体检测是可逆的,而且吸附, ( 3 ) SnO2 气敏元件对气体检测是可逆的 , 而且吸附 , 脱附时间短,可连续长时间使用. 脱附时间短,可连续长时间使用. 元件结构简单,成本低,可靠性较高, ( 4 ) 元件结构简单 , 成本低 , 可靠性较高 , 机械性能 良好. 良好. 对气体检测不需要复杂的处理设备. ( 5 ) 对气体检测不需要复杂的处理设备 . 可将待检测 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单. 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单.
13.2.1
SnO2主要性能参数 A
3,响应时间trcs 响应时间t 把从元件接触一定浓度的被测气 体开始到其阻值达到该浓度下稳 定阻值的时间,定义为响应时间, 定阻值的时间,定义为响应时间, 表示. 用trcs表示. 4,恢复时间trcc 恢复时间t 把气敏元件从脱离检测气体开始, 把气敏元件从脱离检测气体开始, 到期阻值恢得到正常空气中阻值 的时间,定义为恢得时间,用 表示. trcc表示. 实际上, 实际上,常用气敏元件从接触或 脱离检测气体开始, 脱离检测气体开始,到其阻值或 阻值增量达到某一确定值的时间, 阻值增量达到某一确定值的时间, 例如, 例如,气敏元件阻值增量由零变 化到稳定增量的63%所需的时间, 63%所需的时间 化到稳定增量的63%所需的时间, 定义为响应时间和恢复时间. 定义为响应时间和恢复时间.
13.1.6 表10-2 添加物对 添加物对SnO2气敏效应的影响
添加物质 PdO,Pd Pd,Pt过渡金属 PdCI2SbCI3 Sb2O3,TiO2TIO3 V2O5,Cu 稀土类 过渡金属 Sb2O3,Bi2O3
高岭土(陶土), Bi2O3 WO
检测气体 CO,C3H8 酒精 CO,C3H8 CH4,C3H8, CO
13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
烧结型SnO 气敏元件是以多孔陶瓷SnO 烧结型SnO2气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基 料粒度在1μm以下 以下) 添加不同物质, 材 ( 料粒度在 1μm 以下 ) , 添加不同物质 , 采用传统制陶方法,进行烧结. 采用传统制陶方法,进行烧结. 烧结时埋入测量电极和加热线, 制成管芯, 烧结时埋入测量电极和加热线 , 制成管芯 , 最后将电极和加热丝引线焊在管座上, 最后将电极和加热丝引线焊在管座上,外加 二层不锈钢网而制成元件. 二层不锈钢网而制成元件. 主要用于检测还原性气体, 主要用于检测还原性气体 , 可燃性气体和 液体蒸气.工作时需加热到300 左右. 300℃ 液体蒸气.工作时需加热到300℃左右. 按其加热方式又可分为直热式和旁热式两 按其加热方式又可分为 直热式和旁热式两 种.
1.优点: 优点: 制作工艺简单,成本低,功耗小, 制作工艺简单 , 成本低 , 功耗小 , 可以在高电压下使 可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器. 用,可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器. 国内QN型和MQ型气敏元件. QN型和MQ型气敏元件 国内QN型和MQ型气敏元件. 缺点: 2.缺点: 热容量小,易受环境气流的影响; 热容量小,易受环境气流的影响; 测量回路与加热回路间没有隔离,互相影响; 测量回路与加热回路间没有隔离,互相影响; 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩, 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩 , 易造成接 触不良. 触不良.
气敏传感器
13.1 概述Leabharlann 13.1.11.产生原因: 产生原因: 为了确保安全,需对各种可燃性气体,有毒性气体进行检测. 为了确保安全,需对各种可燃性气体,有毒性气体进行检测.目前 实用气体方法很多, 实用气体方法很多,其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法 具有使用方便, 具有使用方便,费用低等特点. 2.发展过程: 发展过程: 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的,最先研制的是S 60年代初期研制成功的 半导体气敏元件是60 年代初期研制成功的,最先研制的是SnO2 薄膜元 它是利用加热条件下S 件.它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增 加而下降,实现对可燃性气体检测. 加而下降,实现对可燃性气体检测. 继而又发现在SnO 烧结体中添加Pt pd等贵重金属可提高灵敏度 Pt或 等贵重金属可提高灵敏度. 继而又发现在 SnO2 烧结体中添加 Pt 或 pd 等贵重金属可提高灵敏度 . 1968年诞生了商品半导体气敏元件 其后, 年诞生了商品半导体气敏元件, 1968年诞生了商品半导体气敏元件,其后,其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场. 元件也相继投放市场. 常用的气敏元件: 3. 常用的气敏元件: SnO2半导体气敏元件,目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主. 半导体气敏元件,目前以TGS型和QM- 型气敏元件为主. TGS型和QM
LPG,CO,城市煤气,酒精