CN102243195A

CN102243195A - 电阻式二氧化氮气体传感器及利用该传感器制成的仪器

Info

Publication number: CN102243195A
Application number: CN2011100930238A
Authority: CN
Inventors: 刘震国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明公开了一种电阻式二氧化氮气体传感器及利用该传感器制成的仪器，该传感器包括由三氧化钨为主体气敏材料的气体敏感材料层和与气体敏感材料层相接触的具有交指结构的金质导电极板，导电极板是印制在氧化铝平面介质基片上的，在介质基片的背面是铂质加热电阻。将所述传感器安装在有小孔的底座中，在底座的上面盖有中间有小孔，可以通透气流的盖子；铂质加热电阻和金质交指型电极分别引出铂质导线，铂质加热电阻引出的铂质导线与加热控制电路相连，金质交指型电极引出的铂质导线与电阻计算电路相连。本发明结构简单，由于采用新型气敏材料，使得检测二氧化氮的体积浓度的精度提升至PPB的级别，而且具有较好的气体选择性，快速的反应时间。

Description

电阻式二氧化氮气体传感器及利用该传感器制成的仪器

技术领域

本发明涉及一种半导体类型电阻式二氧化氮气体传感器、电阻式二氧化氮气体传感器仪器以及电阻式二氧化氮气体传感器仪器的温度控制方法。

背景技术

目前二氧化氮气体的浓度测量是受到广泛的关注，国内外学者在这方面进行了大量的研究。部分研究成果已转化成商业应用。但是总体而言，二氧化氮气体的测量所用传感器的选择性，灵敏度，一致性这三项技术指标不理想。交叉选择现象严重，精度较低。

作为一种有毒气体，二氧化氮大量存在于工业废气，汽车尾气中。根据《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》，为改善环境空气质量，防止生态破坏，创造清洁适宜的环境，保护人体健康，所制订的环境空气质量标准中明确规定了不同环境功能分区下的二氧化氮的浓度限定值。三级标准下，二氧化氮的浓度限定值为日平均0.12毫克每立方米。目前国内的一些二氧化氮气体检测设备还无法达到对这一低浓度值的精确测量。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是提供一种结构简单，操作方便的电阻式二氧化氮气体传感器，它只需较少维护的、可在较大浓度范围内实现对二氧化氮的线性，高选择，高灵敏度高一致性的测量。

本发明所解决的另一问题是利用上述电阻式二氧化氮气体传感器制成的测量仪器。

本发明所解决的又一问题是对上述测量仪器进行的温度控制方法。

技术方案：为解决上述第一技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电阻式二氧化氮气体传感器，包括传感器本体，所述本体包括气体敏感材料层和氧化铝平面介质基层，在所述氧化铝平面介质基层的上表面印制有金质交指型电极、在下表面印制有铂质加热电阻；所述气体敏感材料层烧结在氧化铝平面介质基层上并与金质交指型电极欧姆接触。

所述气体敏感材料层为具有多孔结构的多相金属氧化物陶瓷层，其孔隙率在30-60％范围内，厚度小于200微米；气体敏感材料层是以三氧化钨为主要气敏材料并且三氧化钨的质量含量不小于95％。

所述气体敏感材料层的厚度为60微米。

所述金质交指型电极有一对，并且两个所述金质交指型电极之间的距离在20-400微米范围内。

所述铂质加热电阻分别与氧化铝平面介质基层、气体敏感材料层之间电气隔离，并且所述铂质加热电阻与氧化铝平面介质基层、气体敏感材料层之间热传导。

为了解决上述第二问题，本发明所采用的技术方案为：一种利用所述的电阻式二氧化氮气体传感器制成的测量仪器，包括所述传感器本体、中间有小孔并且能通透气流的底座、利用PID(比例积分微分)原理的加热控制电路和电阻计算电路，所述电阻式二氧化氮传感器安装在底座的小孔中，在底座的上面盖有中间有小孔，可以通透气流的盖子；所述铂质加热电阻和金质交指型电极分别引出铂质导线，所述铂质加热电阻引出的铂质导线与加热控制电路相连，所述金质交指型电极引出的铂质导线与电阻计算电路相连。

所述铂质加热电阻引出的铂质导线具有不大于5％铂质加热电阻的电阻阻值。

上述测量仪器的温度控制方法，该方法包括如下步骤：

a)铂质加热电阻受到精确的离散的多个脉冲供电，对气体敏感材料层进行测量前的加热，

b)当脉冲通过以后，气体敏感材料层的温度达到工作温度，并保持这一温度；

c)对气体敏感材料层的电阻进行测量，测量结束后冷却气体敏感材料层达到设定的测量前温度，然后进行下一个测量周期重复步骤a)，b)，c)。

上述气体敏感材料层的工作温度高于环境温度，工作温度的精确度达到±2℃，气体敏感材料层整体的温度误差范围在±10℃。

上述气体敏感材料层的工作温度在200℃-600℃范围内。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：结构简单，由于采用新型气敏材料，使得检测二氧化氮的体积浓度的精度提升至PPB(parts per billion)的级别，而且具有较好的气体选择性，快速的反应时间。

附图说明

图1是电阻式二氧化氮气体传感器截面图；

图2是电阻式二氧化氮气体传感器正面图；

图3是电阻式二氧化氮气体传感器背面图；

图4是电阻式二氧化氮气体传感器安装示意图；

图5是电阻式二氧化氮气体传感器在二氧化氮气体浓度为0-0.3ppm时的电阻变化图；

图6是在不同浓度二氧化氮气体环境下，湿度对电阻式二氧化氮气体传感器的影响。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，2，3，4，一种电阻式二氧化氮气体传感器，包括本体1，该本体1包括气体敏感材料层11和氧化铝平面介质基层13，在氧化铝平面介质基层13的上表面印制有金质交指型电极12、在下表面印制有铂质加热电阻14；气体敏感材料层11烧结在氧化铝平面介质基层13上并与金质交指型电极12欧姆接触。其中气体敏感材料层11为具有多孔结构的多相金属氧化物陶瓷层，其孔隙率在30-60％范围内，厚度小于200微米，优选60微米；以三氧化钨为主要气敏材料、再添加其他半导体金属氧化物混合构成气体敏感材料层11印制在极耐高温的氧化铝平面介质基层上，在1000℃高温下烧结，产生非常开放的多孔微观结构，这样一来有较大面积的表面与目标气体接触。气体敏感材料层11中三氧化钨的质量含量不小于95％、余量为其他半导体金属氧化物。

上述金质交指型电极12有一对，并且两个所述金质交指型电极12之间的距离在20-400微米范围内。

氧化铝平面介质基层13下表面的铂质加热电阻14在电气上是与氧化铝平面介质基层13和气体敏感材料层11隔离的。在热量传递方面，铂质加热电阻14，氧化铝平面介质基层13和气体敏感材料层11是具有优良的传导性能。

一种利用上述电阻式二氧化氮气体传感器制成的测量仪器，包括上述电阻式二氧化氮传感器本体1、中间有小孔并且能通透气流的底座2、加热控制电路和电阻计算电路，电阻式二氧化氮传感器安装在底座2的小孔中，在底座2的上面盖有中间有小孔，可以通透气流的盖子；铂质加热电阻和金质交指型电极分别引出铂质导线，铂质加热电阻引出的铂质导线与加热控制电路相连，金质交指型电极引出的铂质导线与电阻计算电路相连。铂质加热电阻引出的铂质导线具有不大于5％铂质加热电阻的电阻阻值。

上述测量仪器的温度控制方法，a)铂质加热电阻受到精确的离散的多个脉冲供电，对气体敏感材料层进行测量前的加热；b)当脉冲通过以后，气体敏感材料层的温度达到工作温度，并保持这一温度；c)对气体敏感材料层的电阻进行测量，测量结束后冷却气体敏感材料层达到设定的测量前温度，然后进行下一个测量周期重复步骤a)，b)，c)。

气体敏感材料层的工作温度高于环境温度，工作温度在200℃-600℃范围内，工作温度的精确度达到±2℃，气体敏感材料层整体的温度误差范围在±10℃。

实施例：将上述测量仪器暴露在待测的目标气体中，测量由电阻式二氧化氮气体传感器反应的一个与目标气体浓度对应的电阻值。

使用时，电阻式二氧化氮气体传感器的气体敏感材料层11首先被加热到设定的工作温度，这里工作温度范围为400℃±20℃；其气体敏感材料层11加热到工作温度的实现方法是在铂质加热电阻14的两端接通可调节宽度及周期长度的脉冲电压。参见图4所示的电阻式二氧化氮气体传感器安装示意图，接线管脚a与加热控制电路相连接。由于工艺原因，印制在氧化铝平面介质基层13下表面的铂质加热电阻14的阻值有±5％的方差，为了补偿由此可能引起的加热温度误差，铂质加热电阻14的阻值被实时地测量，并且根据此电阻值来计算出周期长度和脉冲宽度所应调节的变化量，及时地施加在铂质加热电阻14的两端。此反馈调节过程由于使用PID(比例积分微分)算法，理论上可以达到无误差跟踪调节。

参见图4所示的电阻式二氧化氮气体传感器安装示意图，金质交指型电极12所引出的接线管脚b与传感器电阻计算电路相连接。在不同的二氧化氮气体浓度环境下，气体敏感材料层11所表现出的半导体特性直接反应在金质交指型电极12所引出的接线管脚b两端的电阻变化上。图5是电阻式二氧化氮气体传感器在二氧化氮气体浓度为0-0.3ppm时的电阻变化特征图。图中显示出随着二氧化氮气体浓度的增加，金质交指型电极12所引出的接线管脚b两端的电阻也随着线性的增大，典型的阻值变化范围在20千欧姆至80千欧姆之间。

参见图4所示的电阻式二氧化氮气体传感器安装示意图，金质交指型电极12和铂质加热电阻14的四个接线管脚分别分布在四个角。其目的就在于a，b不但在电气上起到连接作用，在结构上还起到承载传感器的重量，使其悬挂在自由空间中，这样，电阻式二氧化氮气体传感器的所有高温部分与传感器的固定底座和盖子没有直接接触，同时待测气体又可以不受阻挡地通过气体敏感材料层11。

将不同种类的与二氧化氮无交叉化学反应的气体和二氧化氮气体同时通过电阻式二氧化氮气体传感器，发现电阻式二氧化氮气体传感器具有很好的选择性。数据显示二氧化氮分别与二氧化硫，一氧化碳，硫化氢，甲烷同时通过电阻式二氧化氮气体传感器时，电阻式二氧化氮气体传感器的电阻变化。除了二氧化硫具有10％左右的电阻增加变化外，其他三种气体的影响是可以忽略的。

湿度是一个对气体传感器有影响的重要因素。水气可以和部分气体在气体敏感材料层的表面发生化学反应。这一化学反应改变了气体敏感材料层表面和体载流子的浓度，从而直接反映在气体敏感材料层的电阻值上。即便不发生化学反应，水气仍可以改变气体敏感材料层的表面态。图6是在不同浓度二氧化氮气体环境下，湿度对电阻式二氧化氮气体传感器的影响，其中参考电阻RO＝20千欧。从图6中的曲线图可以看出，湿度所引起的对电阻式二氧化氮气体传感器的电阻变化，在很低的二氧化氮气体浓度环境下(低于0.05ppm)要高于在较高的二氧化氮气体浓度环境下(高于0.25ppm)。图6中的曲线图还可以看出即使在很低的二氧化氮气体浓度环境下(低于0.05ppm)，湿度所引起的对电阻式二氧化氮气体传感器的电阻变化仍低于10％。这显示本发明电阻式二氧化氮气体传感器具有相当强的抗湿度干扰能力。

Claims

1.一种电阻式二氧化氮气体传感器，其特征在于，包括传感器本体(1)，所述本体(1)包括气体敏感材料层(11)和氧化铝平面介质基层(13)；在所述氧化铝平面介质基层(13)的上表面印制有金质交指型电极(12)、在下表面印制有铂质加热电阻(14)；所述气体敏感材料层(11)烧结在氧化铝平面介质基层(13)上并与金质交指型电极(12)欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的电阻式二氧化氮气体传感器，其特征在于，所述气体敏感材料层(11)为具有多孔结构的多相金属氧化物陶瓷层，其孔隙率在30-60％范围内、厚度小于200微米；气体敏感材料层(11)是以三氧化钨为主要气敏材料并且三氧化钨的质量含量不小于95％。

3.根据权利要求2所述的电阻式二氧化氮气体传感器，其特征在于，所述气体敏感材料层(11)的厚度为60微米。

4.根据权利要求1所述的电阻式二氧化氮气体传感器，其特征在于，所述金质交指型电极(12)有一对，并且两个所述金质交指型电极(12)之间的距离在20-400微米范围内。

5.根据权利要求1所述的电阻式二氧化氮气体传感器，其特征在于，所述铂质加热电阻(14)分别与氧化铝平面介质基层(13)、气体敏感材料层(11)之间电气隔离，并且所述铂质加热电阻(14)与氧化铝平面介质基层(13)、气体敏感材料层(11)之间热传导。

6.一种利用权利要求1所述的电阻式二氧化氮气体传感器制成的测量仪器，其特征在于，包括所述传感器本体(1)、中间有小孔并且能通透气流的底座(2)、利用PID原理的加热控制电路和电阻计算电路，所述电阻式二氧化氮传感器安装在底座(2)的小孔中，在底座(2)的上面盖有中间有小孔，可以通透气流的盖子；所述铂质加热电阻(14)和金质交指型电极(12)分别引出铂质导线，所述铂质加热电阻(14)引出的铂质导线与加热控制电路相连，所述金质交指型电极(12)引出的铂质导线与电阻计算电路相连。

7.根据权利要求6所述的测量仪器，其特征在于，所述铂质加热电阻(14)引出的铂质导线具有不大于5％铂质加热电阻(14)的电阻阻值。

8.权利要求6或7所述的测量仪器的温度控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

a)铂质加热电阻(14)受到精确的离散的多个脉冲供电，对气体敏感材料层(11)进行测量前的加热，

b)当脉冲通过以后，气体敏感材料层(11)的温度达到工作温度，并保持这一温度；

c)对气体敏感材料层(11)的电阻进行测量，测量结束后冷却气体敏感材料层(11)达到一设定的测量前温度，然后进行下一个测量周期重复步骤a)，b)，c)。

9.根据权利要求8所述的温度控制方法，其特征在于，所述气体敏感材料层(11)的工作温度高于环境温度，工作温度的精确度达到±2℃，气体敏感材料层(11)整体的温度误差范围在±10℃。

10.根据权利要求8所述的温度控制方法，其特征在于，所述气体敏感材料层(11)的工作温度在200℃-600℃范围内。