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J. Kita 等人:用陶瓷基片的高溫氣體傳感器的熱導率和電阻率

更新時間:2018-05-14點擊次數(shù):3129

J. Kita 等人:用陶瓷基片的高溫氣體傳感器的熱導率和電阻率

【引言】

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調(diào)理,通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。氣體傳感器是化學傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測量技術(shù),從所用材料到制造工藝,從檢測對象到應(yīng)用領(lǐng)域。

【成果介紹】

J.Kita 等人認為在氣體傳感器和高溫流量傳感器領(lǐng)域,陶瓷厚膜結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵的作用,特別是在惡劣的環(huán)境中。它們的基材必須是電絕緣的和具有化學惰性的。陶瓷基板,尤其是氧化鋁基板,通常被認為是理想的傳感器基板。然而,它們的電阻率和它們的化學惰性都不夠理想。甚至,熱導率也具有溫度依賴性,在建模溫度曲線時必須考慮它。在這方面,測量了用于氣體傳感器襯底的氧化鋁和LTCC陶瓷的兩種相關(guān)材料在室溫和800℃ 之間的電阻率和熱導率。在這項研究中,用激光閃光設(shè)備(LFA1000 Laser Flash,Lin-seis,Selb,德國)測定導熱率。此外,暴露于NO2的未涂覆的叉指結(jié)構(gòu)在300℃下時的電阻數(shù)據(jù)表明,底物和NO2之間的反應(yīng)可能發(fā)生。

【圖文導讀】

1:以熱板形式的陶瓷氣體傳感器基板的示例。叉指電極可以被功能性氣敏薄膜覆蓋。

296%99.99%的氧化鋁基板的熱傳導率的溫度依賴性。(T)很近似地擬合了函數(shù)方程(1),根據(jù)以下參數(shù):對于99.99% Al2O3,B141.43 W/m·K),Td147.44 K,B0=9.43 W/m·K),以及對于96% Al2O3,B50.97 W/m·K),Td220.27 KB07.79 W/m·K)。這些函數(shù)被繪制成曲線。

3:兩種市售LTCC材料導熱系數(shù)的溫度依賴性詳見正文。測量點,畫出的直線是線性擬合的。

4:比較結(jié)構(gòu)與陶瓷熱板的溫度分布,如果該結(jié)構(gòu)是以恒定的熱導率=29W/m·K)(虛線)模擬的,并且具有與溫度有關(guān)的行為,根據(jù)方程式(1)在B141.43W/m·K),Td147.44 KB0943W/m·K)(實線)。

5:比較了溫度梯度對結(jié)構(gòu)的影響。(a)具有恒定的熱導率為29 W/(m·K)的模擬;(b)具有溫度相關(guān)特性(參見圖4)。

696%氧化鋁在不同溫度下的阻抗譜的例子。插補:用于擬合的等效電路由電阻和恒定相位元件(CPE)組成,它們被布置為兩個并聯(lián)電路。

7:電阻率為96%99.99%的氧化鋁和LTCC基板的溫度函數(shù)。插圖顯示了示例設(shè)置。

8:由未涂覆的99.6%氧化鋁在350℃下以響應(yīng)環(huán)境中不同濃度的還原和氧化氣體的電阻值(點)阻抗數(shù)據(jù)計算。實線顯示由紅外光譜確定的傳感器室的出口濃度。

文中的導熱率測定是使用LINSEIS設(shè)備LFA1000 Laser Flash所測。林賽斯導熱儀LFA 1000具有高度模塊化設(shè)計,提供的采集速率,18樣品同一環(huán)境測量,三種不同的可更換爐體(-125℃到2800℃)和兩種檢測器,還有高真空設(shè)計(10-5mbar.

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