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J. Kita 等人:用陶瓷基片的高温气体传感器的热导率和电阻率

点击次数:2568  更新时间:2018-05-14

J. Kita 等人:用陶瓷基片的高温气体传感器的热导率和电阻率

【引言】

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器是化学传感器的一大门类。从工作原理、特性分析到测量技术,从所用材料到制造工艺,从检测对象到应用领域。

【成果介绍】

J.Kita 等人认为在气体传感器和高温流量传感器领域,陶瓷厚膜结构起着关键的作用,特别是在恶劣的环境中。它们的基材必须是电绝缘的和具有化学惰性的。陶瓷基板,尤其是氧化铝基板,通常被认为是理想的传感器基板。然而,它们的电阻率和它们的化学惰性都不够理想。甚至,热导率也具有温度依赖性,在建模温度曲线时必须考虑它。在这方面,测量了用于气体传感器衬底的氧化铝和LTCC陶瓷的两种相关材料在室温和800℃ 之间的电阻率和热导率。在这项研究中,用激光闪光设备(LFA1000 Laser FlashLin-seisSelb,德国)测定导热率。此外,暴露于NO2的未涂覆的叉指结构在300℃下时的电阻数据表明,底物和NO2之间的反应可能发生。

【图文导读】

1:以热板形式的陶瓷气体传感器基板的示例。叉指电极可以被功能性气敏薄膜覆盖。

296%99.99%的氧化铝基板的热传导率的温度依赖性。(T)很近似地拟合了函数方程(1),根据以下参数:对于99.99% Al2O3B141.43 W/m·K),Td147.44 KB0=9.43 W/m·K),以及对于96% Al2O3B50.97 W/m·K),Td220.27 KB07.79 W/m·K)。这些函数被绘制成曲线。

3:两种市售LTCC材料导热系数的温度依赖性详见正文。测量点,画出的直线是线性拟合的。

4:比较结构与陶瓷热板的温度分布,如果该结构是以恒定的热导率=29W/m·K)(虚线)模拟的,并且具有与温度有关的行为,根据方程式(1)在B141.43W/m·K),Td147.44 KB0943W/m·K)(实线)。

5:比较了温度梯度对结构的影响。(a)具有恒定的热导率为29 W/(m·K)的模拟;(b)具有温度相关特性(参见图4)。

696%氧化铝在不同温度下的阻抗谱的例子。插补:用于拟合的等效电路由电阻和恒定相位元件(CPE)组成,它们被布置为两个并联电路。

7:电阻率为96%99.99%的氧化铝和LTCC基板的温度函数。插图显示了示例设置。

8:由未涂覆的99.6%氧化铝在350℃下以响应环境中不同浓度的还原和氧化气体的电阻值(点)阻抗数据计算。实线显示由红外光谱确定的传感器室的出口浓度。

文中的导热率测定是使用LINSEIS设备LFA1000 Laser Flash所测。林赛斯导热仪LFA 1000具有高度模块化设计,提供的采集速率,18样品同一环境测量,三种不同的可更换炉体(-125℃到2800℃)和两种检测器,还有高真空设计(10-5mbar.

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