1、氣敏陶瓷氣敏陶瓷 Gas Sensing Ceramics制作人：xxx目錄一 發(fā)展氣敏陶瓷的必要性二 氣敏陶瓷的定義三 氣敏陶瓷的分類(lèi)四 氣敏陶瓷的結(jié)構(gòu)及性能五 氣敏陶瓷的制備六 典型的氣敏陶瓷七氣敏陶瓷的應(yīng)用八 氣敏陶瓷的發(fā)展前景一、為什么要發(fā)展氣敏陶瓷一、為什么要發(fā)展氣敏陶瓷u 畜牧業(yè)溫室氣體的檢測(cè)畜牧業(yè)溫室氣體的檢測(cè) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們所用的和接觸到的氣體越來(lái)越多，因此要求對(duì)這些氣體的成分進(jìn)行分析，檢測(cè)及報(bào)警的領(lǐng)域也日益擴(kuò)大。尤其是易燃易爆，有毒的氣體，不僅直接與人們的生命財(cái)產(chǎn)有關(guān)，而且危及到人類(lèi)生存的大氣環(huán)境，所以必須要對(duì)這些氣體進(jìn)行嚴(yán)密檢測(cè)，避免火災(zāi)，爆炸及大氣污染等事故

2、的發(fā)生。u突發(fā)中毒事件突發(fā)中毒事件二 氣敏陶瓷的定義氣敏陶瓷，亦稱(chēng)氣敏半導(dǎo)體是用于吸收某種氣體后電阻率發(fā)生變化的一種功能陶瓷。它是用二氧化錫等材料經(jīng)壓制燒結(jié)而成的，對(duì)許多氣體反映十分靈敏，可應(yīng)用于氣敏檢漏儀等裝置進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警三、氣敏陶瓷分類(lèi)三、氣敏陶瓷分類(lèi)u分為分為半導(dǎo)體式半導(dǎo)體式（主要）和固體電解質(zhì)式兩大類(lèi)（主要）和固體電解質(zhì)式兩大類(lèi) 材料的成分分類(lèi)：材料的成分分類(lèi)：SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2 效應(yīng)分類(lèi)：效應(yīng)分類(lèi)：表面效應(yīng)、體效應(yīng)表面效應(yīng)、體效應(yīng) 制造方法和結(jié)構(gòu)型式：制造方法和結(jié)構(gòu)型式：燒結(jié)型、厚膜型、薄燒結(jié)型、厚膜型、薄膜型。膜型。三、氣敏陶瓷分類(lèi)三、氣敏陶瓷分類(lèi)氣敏陶瓷按相關(guān)

3、性分類(lèi)氣敏陶瓷按相關(guān)性分類(lèi)四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能u 1.具有物理和化學(xué)的穩(wěn)定性具有物理和化學(xué)的穩(wěn)定性 因?yàn)樵诶冒雽?dǎo)體 陶瓷元件進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，氣體在半導(dǎo)體上的吸附必須迅速。但一般的吸附在常溫下比較緩慢，至少在100攝氏度以上才會(huì)有足夠大的吸脫速度，為了保證元件的靈敏度，必須要求元件在比較高的溫度下工作。由于在較高溫度下長(zhǎng)期暴露在氧化性或還原性氣氛中，所以需要有物理化學(xué)穩(wěn)定性。u 2.氣體選擇特性氣體選擇特性u(píng) 3.初始穩(wěn)定，氣敏響應(yīng)和復(fù)原特性初始穩(wěn)定，氣敏響應(yīng)和復(fù)原特性u(píng) 4.靈敏度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性靈敏度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性u(píng) 5.初始電阻初始電阻四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)

4、及性能四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能直熱式氣敏陶瓷熱容量小，容易受環(huán)境氣流的影響四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能旁熱式氣敏陶瓷靈敏度高，響應(yīng)迅速，機(jī)械強(qiáng)度高產(chǎn)量高，成本低四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能薄膜式氣敏陶瓷制作采用蒸發(fā)或者濺射的方法，在處理好的石英基片上形成一種薄層金屬氧化物薄膜，再引出電極四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能四、氣敏陶瓷元件的結(jié)構(gòu)及性能厚膜式氣敏陶瓷將二氧化錫和氧化鋅等材料與315%重量的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，具有一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)五、氣敏陶瓷的制備五、氣敏陶瓷的制備氣體與敏感陶瓷的作用部位通常只局限于表 面,故

5、其敏感特性(如電阻值與被測(cè)氣體濃度的關(guān) 系) ,和敏感體的燒結(jié)形式(幾何形狀)關(guān)系甚大。常 見(jiàn)的有薄膜型、厚膜型和多孔燒結(jié)體型。氣敏薄膜 的厚度一般為 10- 2 10-1 m,可通過(guò)化學(xué)氣相沉積 或不同形式的濺射方式來(lái)制備。厚膜的膜厚為幾十 微米,采用漿料絲網(wǎng)漏印燒結(jié)法制作。多孔陶瓷則 采用非致密燒結(jié)法制備之。五、氣敏陶瓷的制備五、氣敏陶瓷的制備常見(jiàn)的氣敏陶瓷很多,比較典型的有氧化錫系、 氧化鋅系、氧化鐵系等。 SnO2 氣敏陶瓷為目前應(yīng)用最廣者,它是以 SnO2 為基材,摻雜 Pd、Lr（銠）、G a(鎵）、CeO2（二氧化鈰） 等活性物質(zhì)以提高其 靈敏度。另外可添加 A l 2O3、Sb

6、2O3、MgO、CaO和 PdO 等添加物以改善其燒結(jié)、老化及吸附等特性。SnO2 氣敏陶瓷對(duì)可燃性氣體,如氫、甲烷、丙烷、乙醇、丙 酮、一氧化碳、城市煤氣、天然氣都有較高的靈敏度。五、氣敏陶瓷的制備五、氣敏陶瓷的制備ZnO也是很重要的氣敏陶瓷材料,其最突出的 優(yōu)點(diǎn)是氣體選擇性強(qiáng)。摻以 P t和 Pd催化劑后,可 提高其靈敏度。摻 Pt后對(duì)丁烷和丙烷等氣體的靈 敏度高,而摻 Pd的 ZnO對(duì)氫和 CO的靈敏度高。 ZnO與 VMoAl 2O3 催化劑組合后,檢測(cè)氟利昂 氣體的靈敏度比一般的氣敏傳感器要高。但長(zhǎng)期使 用后,催化劑層將發(fā)生變化,連續(xù)使用 400h后會(huì)逐 漸退化,靈敏度開(kāi)始降低。不用

7、催化劑的 ZnO傳感 器對(duì)氟利昂氣體的靈敏度很低六、典型氣敏陶瓷六、典型氣敏陶瓷uZnO系氣敏陶瓷 1.ZnO氣敏陶瓷的結(jié)構(gòu)及功能氣敏陶瓷的結(jié)構(gòu)及功能 a.材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu) ZnO是一種n型半導(dǎo)體材料，具有六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。同SnO2一樣禁帶（在能帶結(jié)構(gòu)中能態(tài)密度為零的能量區(qū)間）較寬，為3.4eV。 b.材料的功能材料的功能 ZnO具有多種多樣的功能，例如：半導(dǎo)體性，壓電性，螢光性和光電效應(yīng)等。六、典型氣敏陶瓷六、典型氣敏陶瓷 2. ZnO氣敏陶瓷的制備和分析氣敏陶瓷的制備和分析 a.材料的制備材料的制備 分析純的ZnSO47H2O用蒸餾水溶解后，分別加入適量的氨水，草酸銨，碳酸鈉和尿

8、素溶液，充分?jǐn)嚢?，靜置，洗滌干凈后抽濾，將得到的沉淀在110干燥，再分別置于500和800熱處理即可制得。 b.材料分析材料分析 用差熱-熱重分析法（DAT-TG）確定沉淀物的失水溫度，分解溫度和結(jié)晶溫度等。用X射線(xiàn)衍射（XRD）和電子衍射（ED）分析材料的物相和晶體結(jié)構(gòu)，用透射電子顯微鏡（TEM）觀察材料的陶瓷微結(jié)構(gòu)。 c. .分析結(jié)果分析結(jié)果 經(jīng)X射線(xiàn)衍射分析，800 ZnO都是完整的多晶體，少量SnO2的摻雜得到ZnO，ZnSnO3 （偏錫酸鋅）和Zn2SnO4（錫酸鋅）三種化合物的混合物。 經(jīng)透射電鏡觀察ZnO都是致密的多晶體，有棒狀和顆粒狀兩種晶型。 經(jīng)電子衍射分析，棒狀結(jié)晶顯示完整

9、的四方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，顆粒狀結(jié)晶呈現(xiàn)完整的六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 說(shuō)明ZnO是由完整的小單晶組成，依照沉淀劑的不同，ZnO的微觀結(jié)構(gòu)略有不同。六、典型氣敏陶瓷六、典型氣敏陶瓷六、典型氣敏陶瓷六、典型氣敏陶瓷 3. ZnO氣敏陶瓷的應(yīng)用氣敏陶瓷的應(yīng)用 作為氣敏材料，ZnO是發(fā)現(xiàn)最早、也是應(yīng)用最多的氧化物之一。由于ZnO的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，ZnO系半導(dǎo)體氣敏器件的工作溫度略顯偏高， 一般為400500。在ZnO中摻入Pd，Pt和稀土等， 既改善了ZnO的選擇性，也提高了氣體靈敏度，為此可將ZnO陶瓷制成具有高靈敏性的氣敏元件。 此外，ZnO陶瓷還在光催化、光電極、涂料、彩色顯影、表面彈性波濾波器、橡膠塑料助劑等

10、領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。六、典型氣敏陶瓷六、典型氣敏陶瓷uSnO2系氣敏陶瓷系氣敏陶瓷 1.SnO2晶體結(jié)構(gòu)：金紅石型結(jié)構(gòu)。 2.SnO2作為氣敏陶瓷的優(yōu)點(diǎn)：容易獲得高靈敏度，容易獲得適宜的電特性。 3.SnO2作為氣敏陶瓷的缺點(diǎn)：工作溫度、選擇性、靈敏度等方面有待于進(jìn)一步完善， 且其制備要求較為嚴(yán)苛。 4.SnO2氣敏陶瓷的特點(diǎn)：靈敏度高，最高靈敏度的溫度Tm較低，從而使這種氣敏陶瓷最適于檢測(cè)微量濃度氣體。六、典型氣敏陶瓷六、典型氣敏陶瓷 5.SnO2氣敏陶瓷的制備：是以SnO2為基本材料，加入催化劑，粘結(jié)劑等，按照常規(guī)的陶瓷工藝方法制成的。 6.SnO2的氣敏特性的影響因素：顆粒尺寸，微觀結(jié)構(gòu)

11、，制備方法，摻雜元素。 7.納米SnO2氣敏陶瓷：大大提高傳感器的靈敏度，工作溫度大幅度降低，傳感器尺寸變小，因此將納米技術(shù)應(yīng)用于SnO2氣敏陶瓷上將具有巨大的前景。七、氣敏陶瓷的應(yīng)用七、氣敏陶瓷的應(yīng)用 氣敏半導(dǎo)體陶瓷可以發(fā)現(xiàn)隱藏起來(lái)的有害氣體，半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體陶瓷可以發(fā)現(xiàn)隱藏起來(lái)的有害氣體，半導(dǎo)體蜂窩陶瓷載體的的電阻率隨某一種或幾種氣體的濃度發(fā)生規(guī)蜂窩陶瓷載體的的電阻率隨某一種或幾種氣體的濃度發(fā)生規(guī)則性的變化，其檢測(cè)靈敏度通?？蛇_(dá)百萬(wàn)分之一的量級(jí)或更則性的變化，其檢測(cè)靈敏度通常可達(dá)百萬(wàn)分之一的量級(jí)或更高。半導(dǎo)體陶瓷的氣敏特性可用來(lái)制成氣敏元件，在化工、高。半導(dǎo)體陶瓷的氣敏特性可用來(lái)制成氣敏元

12、件，在化工、環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)、煤礦、國(guó)防、汽車(chē)、食品、電子、石油、環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)、煤礦、國(guó)防、汽車(chē)、食品、電子、石油、發(fā)電等很多領(lǐng)域，對(duì)有害、易燃、易爆等氣體實(shí)施自動(dòng)檢測(cè)，發(fā)電等很多領(lǐng)域，對(duì)有害、易燃、易爆等氣體實(shí)施自動(dòng)檢測(cè)，并報(bào)警和調(diào)控，尤其在環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)等涉及。并報(bào)警和調(diào)控，尤其在環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)等涉及。 七、氣敏陶瓷的應(yīng)用七、氣敏陶瓷的應(yīng)用 半導(dǎo)體陶瓷氣敏元件可分為表面效應(yīng)型表面效應(yīng)型和體效應(yīng)型體效應(yīng)型。主要有SnO2系、ZnO系、Fe203系、MgO系、Ti02系等。類(lèi)型類(lèi)型包括燒結(jié)型、厚膜型、薄膜型等。如加入不同的其他添加物其他添加物，SnO2系陶瓷可制成對(duì)C2H5OH、丙酮、CO、H

13、2敏感的氣敏元件，ZnO系陶瓷可制成對(duì)C2H5OH、丙酮敏感的氣敏元件，F(xiàn)e203系蜂窩陶瓷可制成對(duì)可燃性氣體敏感的氣敏元件等。 氣敏元件氣敏元件半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷AQS501傳感器傳感器 陶瓷氣敏器件陶瓷氣敏器件汽車(chē)用氧化鋯基汽車(chē)用氧化鋯基七、氣敏陶瓷的應(yīng)用七、氣敏陶瓷的應(yīng)用應(yīng)應(yīng)用用領(lǐng)領(lǐng)域域八、氣敏陶瓷的發(fā)展前景八、氣敏陶瓷的發(fā)展前景氣敏陶瓷的學(xué)術(shù)發(fā)展氣敏陶瓷的學(xué)術(shù)發(fā)展八、氣敏陶瓷的發(fā)展前景八、氣敏陶瓷的發(fā)展前景 從現(xiàn)在的水平來(lái)看，半導(dǎo)體氣敏陶瓷元件的靈敏度高，有利于實(shí)現(xiàn)快速，連續(xù)及自動(dòng)測(cè)量，結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)單、方便、價(jià)廉。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性、互換性不好，對(duì)不同氣體分辨力差，在低溫，常溫條件下工作問(wèn)題還有待進(jìn)一步解決，不易實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)等。要解決現(xiàn)存問(wèn)題需要從以下幾個(gè)方面著手：u 1.積極開(kāi)展有關(guān)氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料基礎(chǔ)理論的研究。積極開(kāi)展有關(guān)氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料基礎(chǔ)理論的研究。必須進(jìn)一步深入地開(kāi)展對(duì)上述各項(xiàng)的研究，才能從新的理論基礎(chǔ)上探討解決氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料各種性能問(wèn)題。u 2.提高材料的性能，積極尋找新材料。提高材料的性能，積極尋找新材料。目前，氧化錫系、氧化鋅系，氧化鐵系等氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料已實(shí)用化，但性能還有待進(jìn)一步提高。u 3.積極開(kāi)展多功能化、微型化、集