《多功能敏感陶瓷》PPT课件

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1、各种陶瓷传感器，其功能都是单一的，显然，这种单功能传感器与当前科学技术的迅速进展和社会发展的安际需要是不相适应的。有必要研究把不同功能的传感一器集中在一个元件上的多功能传感器。于是，在这样的背景下国内外从80年代初期起，便着手研制新型的多功能敏感陶瓷，迄今已有多种敏感陶瓷陆续问世，并已制成了各种类犁的多功能陶瓷传感器。一、MgCr204-TiO2系敏感陶瓷MgCr204-Ti02系是一种具有优良物理、化学和热稳定性的高温烧结金属氧化物陶瓷，通过控制陶瓷的烧结条件，可以制成致密陶瓷或多孔性陶瓷。MgCr204-Ti02多孔陶瓷的晶粒之间

2、存在着晶界或气孔。这些晶界或气孔很容易吸附、凝聚水蒸汽和各种气体当晶体表面的晶界处吸附水分或气体后其表面电导率会发生急剧变化，早期研制成功的湿度传感器和气体传感器，就是分别利用MgCr204-Ti02陶瓷的这些效应制成。这些敏感元件的研制成功，表明这种系统的陶瓷原来就是一种具有双重功能的敏感陶瓷。当进一步研究这种陶瓷固有的多功能特性后发现，MgCr204-Ti02系多孔性陶瓷，当环境温度在150℃以下时，仅对水蒸气敏感，而在300℃--550℃时的高温下，陶瓷呈现出P型半导体特性，对水蒸气的敏感性消失，而显示出对各种占毛体的敏感性。利

3、用℃系多孔特性陶瓷的这些特性，并借助于掩蔽技术和引入在电气上无串扰的分离技术便在单个元件上试制成湿度一气体双重功能的传感器这种多功能敏感陶瓷元件的制备是：原材料采用高纯度的MgO、Cr2O3和Ti02。根据MgCr204-Ti02系化学式配料，把粉料同玛瑙球和纯水放入有橡皮衬垫的球磨机肉湿磨24小时烘干，添加胶合剂并压成40×36×8mm的长条，在1300℃的空气中烧结2小时，把烧结体切成4X5×0．25mm的试片。在试片的两个主表面上用丝网印刷法涂复RuO2浆料，并在800℃烧结加成电极，其中电极的一个面兼作加热器使用。Pt—Ir引

4、线用烧结的RuO2焊料焊接制成引出端。图1表示用MgCr204-Ti02系陶瓷制作的湿度一气体双重功能传感器的结构。用该传感器检测湿度时，由于器件曝露在含有水蒸气和各种成分的气氛中，这些成分的吸附或粘附有油污和尘埃时，都会降低传感器，的湿敏特性。为此，在检测湿度以前必须把器件加到500℃的高温下进行热清洗，以便清除掉油污等附着物。不仅如此，在每次检测湿度和气体以前，特别是在检测高浓度还原性气体后，容易产生不可逆的复原，有时会使电阻值产生明显的滞后现象，故必须进行热清洗使器件复原。器件用于检测气体时，由于气体的化学吸附，必须使传感器的工

5、作温度高于水蒸汽的物理吸附温度，一般把传感器加热到400℃左右的工作温度。这种加热温度的控制是利用传感器陶瓷的高温热敏电阻特性进行自控的。图2表示湿度一气体传感器的湿敏特性。出相对湿度从0变化到l00％时，交流电阻以对数形式急剧地变化，滞后在±5RH范围内，交流电压在5V以内时，其特性几乎与电压无关，但当电压提高到5V以上时，在高湿度区将会受到焦耳热的影响。在1-80℃温度范围内相对湿度和温度的关系，例如在60%的相对湿度下约为3．8％RH／℃。该器件若除去给定相对湿度所需的时间，响应时间在几秒钟之内，有良好的响应性。图8表示在空气中

6、各种不同浓度的气体检测灵敏度与温度的关系。气体检测灵敏度通常是被定义为气体中的电阻值Rgas和大气中的电阻值Rair的比值。由图可见，在含有还原性气体的气氛中，其电阻值比在大气中的为高，在300℃-500℃范围内对气体敏感。这种P型半导体气体传感器对于含有H2S、乙醇等有机气体有较高的灵敏度，而对CO、H2和C3H4等气体的灵敏度低。故这种传感器特别适合于检测H2S、乙醇、和烟等气体之用。二、BaTiO3-SrTiO3系敏感陶瓷BaTi03-SrTiO3系陶瓷是一种介电常数与温度有大的依赖关系的铁电陶瓷材料，其介电常数随着温度上升而增

7、大，在居里温度Tc附近达到了极大值，在Tc以上则遵循居里一外斯定律，介电常数随着温度继续上升而急剧下降。利用这种陶瓷的电容量随温度变化的特性，便可用来制成检测温度的传感器。此外，BaTi03-SrTiO3系也和MgCr204-TiO2系陶瓷一样，通过控制烧结条件，可以制成多孔性陶瓷，它的所有细孔几乎都与外表面连通，水蒸汽经由细孔扩散到陶瓷内部并被吸附在晶界的表面上，而且能在短时间内达到吸附、解吸附的平衡状态。于是，利用陶瓷晶界表面吸附水分引起电阻值的变化，便可用来检测湿度。因此，采用这种陶瓷的上述双重特性，便在单个元件上制成了温度一湿

8、度多功能传感器。敏感元件的制备是首先根据Ba1-XSrxTi03(X=0～1)的化学式配料’、球磨、烘干、压片、烧成和切片。在试片的两个主表面上涂敷RuO2电极和焊接Pf—Ir引线。图4表示用BaTi03-SrTiO3系