简析传感器用陶瓷材料——气敏材料

　　（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O^2-传导电荷的离子导体。若由ZrO₂隔离氧分压不同的空间，则O^2-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I_p使e_λ恒定，并由微处理机将I_p和i_p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