(1)氧化物半导体
氧化物半导体在高温下接触还原性气体,则其电阻率发生变化。下表列出在400℃和气体浓度1000 ppm时,各种氧化物半导体的气敏特性。可用这些氧化物半导体检测气体浓度。
氧化物半导体(厚膜)的气敏特性
如下图所示,气体灵敏度随敏感元件工作温度而异,即使是同一种气敏材料,对于不同气体其最髙灵敏度的温度也不同。此外,最高灵敏度的温度还随制作条件、电极种类、厚膜或薄膜等不同而变化。
图 WO3厚膜元件的气敏特性
由上表可看出,氧化物半导体无添加物也能对气体敏感,但是,掺人少量添加物能改变其对各种气体的敏感程度。特别是掺人有催化活性的贵金属后,半导体对气体的敏感效果更显著。下图示出掺Th前后(厚膜)气敏元件的特性,图中虚线是添加Th前的特性,实线是添加Th后的特性,显然,添加Th后,对H2的灵敏度下降了,而对CO的灵敏度提高了。
图 添加Tb后SnO2气敏元件的特性
因此,选择添加物可提高对特定气体的选择性敏感,Pt,Pd,Rh和Ir也有Th的效应。但是,仅通过添加物就想达到对特定气体选择性敏感是极其困难的。
下表列出在Fe203薄膜气敏元件上(温度420℃,气体浓度3000ppm)被覆SnO2膜和W03膜后各种气体灵敏度的变化情况。除表中薄膜的例子外,厚膜或陶瓷也有同样效果。
表 影响Fe2O3气敏元件灵敏度的被覆效应
由此说明,在敏感元件的材料中,被覆其他材料则有可能改变其灵敏度。除上述外,氧化物气敏元件还有多种,但目前实用的还仅是城市煤气检测用SnO2气敏元件,但这种敏感元件能敏感多种气体,故会产生误动作。目前,除前述高温材料外,已发现了常温附近工作的气敏材料。
(2)氧敏材料
氧敏元件已广泛用于汽车燃料喷射的自动控制,以及提高暖房器等的效率。这种用途的氧敏元件的材料主要是离子导体ZrO2,其次是氧化物半导体和Ti02。ZrO2在高温下是由O2-传导电荷的离子导体。若由ZrO2隔离氧分压不同的空间,则O2-由氧浓度高的一侧流向氧浓度低的一侧,故在两壁上电极即可检测出电动势。控制汽车引擎燃烧用的氧敏元件实际上是ZrO2圆筒,其内壁跟外界气氛连通,外侧置于引擎的排气孔内或室温的排气通路上。如果由于氧过剩而排气孔内存在氧,则敏感元件的电动势不会太大。若供给引擎的氧基本耗完,则圆筒内外氧浓度差极大,故可检测到大的电动势。因此,这种敏感元件可用于控制燃料喷射。
当氧稍过剩时,即燃料比化学计量浓度低时,汽车引擎效率高,故人们强烈要求汽车有这种化学计量的敏感功能,从而连续检测氧浓度。下图示出其中一个例子,结构是图(a)所示的多层结构,由ZrO2湿粉压制后烧制而成。控制电流Ip使eλ恒定,并由微处理机将Ip和ip变换为e0,则可得到图(b)的输出。由下图可知,空燃比λ为λ>1、λ=1、λ<1的三种状态能够检测,故这种敏感元件可用作汽车氧敏元件。
图 ZrO2氧敏传感器的结构及其性能