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TiO2氧气传感器的研究

文章来源:楚环传感器 发布时间:2020-04-28

TiO2是一种良好的氧敏材料,电阻式TiO2氧气传感器因其结构简单、价格较低、体积小、不需要参比气体电极而得到了广泛的应用;随着纳米技术的迅速发展,TiO2材料因具有小尺寸效应,表面效应和量子效应等优异特性而有着广阔的发展前景。

金红石晶型是较为理想的氧敏相,其不但具有最为稳定的物理/化学性质,并在金红石结构中,晶格中氧空位的迁移率较高,这是TiO2氧敏元件响应快速的重要原因,因而金红石型TiO2成为氧气传感器的首选材料。

TiO2氧敏元件无论采用厚膜或薄膜的构成方式还是湿化学法(如,溶胶—凝胶法)或沉积法(如,溅射法)的制备工艺,均需要经过高温处理才能得到金红石相TiO2,并且,工作温度也较高,这便限制了其应用范围。

金红石型TiO2对氧气敏感,是重要的氧敏材料之一。但TiO2氧气传感器所需的工作温度较高,容易造成材料结构的变化,导致元件性能的衰减。降低工作温度是TiO2氧气传感器走向产业化过程中首先要解决的问题。由于在制备TiO2过程中需要进行高温热处理,才能得到金红石型TiO2,其原因在于结晶过程中先在较低温度下得到锐钛矿型TiO2,而后在高温下得到金红石型TiO2,这会使颗粒度较大和比表面积降低,表面活性下降,因而需在高工作温度下才能得到一定的灵敏度。

此外,TiO2材料的电阻率较高,通过掺杂可以降低元件阻值,有利于向实用化方向发展。TiO2氧敏元件电阻随温度变化较大,这会影响测量精度,需要通过外加电路进行温度补偿,也可以通过掺杂的办法降低电阻温度系数,提高TiO2氧敏元件的温度特性。

从产业化发展的角度来看,要求TiO2氧气传感器具有实用性强、测量精确、响应快、稳定性好、易操作、结构简单、成本低等特点;从市场需求分析看,有2个方面需求有着较为广泛的开发前景:一方面是高氧区,主要应用于锅炉节能、有氧治疗、环境监测等方面;另一方面,在低氧区,将应用于航空航天、密封系统的检漏等方面。

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