提高气敏元件选择性稳定性的方法技术

本发明专利技术公开一种提高气敏元件选择性稳定性的方法。它是用两种气敏基体材料组合在一起构成一个整体气敏元件，其中的一种气敏基体材料作为补偿元件，与待测气体接触，对干扰气体敏感，而对待测气体不太敏感；另一种气敏基体材料对待测气体敏感，而对干扰气体不太敏感；其结合的结果解决了现有气敏元件选择性不好，稳定性差，抗环境（温度和湿度）能力差等问题，并缩短或消除了元件的初期驰豫时间。由各种气敏基体材料的两两不同的组合，还可以得到对各种气体有选择性的检测元件。这种方法适用于所有的半导体气敏元件。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高气敏元件，特别是半导体气敏元件选择性、稳定性的方法。现在的气敏元件是由一种气敏基体材料，掺入改善性能的添加剂构成的简单结构。其选择性不够好，稳定性差。在应用上为了提高稳定性，通常外接一个热敏电阻进行补偿，也有少数将气敏探头和温度补偿元件合在一起的。由于该温度补偿元件是一个热敏电阻，它只作温度补偿，不作湿度补偿，对气敏元件的选择性没有贡献，对其灵敏度和初期驰豫时间也没有改进。本专利技术的目的是提供一种气敏元件选择性、稳定性的方法，它能提高元件的选择性和稳定性，缩短甚至消除元件的初期驰豫时间。本专利技术的目的是这样实现的用一种对待测气体较敏感，对于干扰气体不太敏感的基体材料A和一种对待测气体不太敏感，而对干扰气体敏感的气敏基体材料B合在一起。构成一个整体气敏元件，信号输出由A、B的接合处引出(如附图说明图1所示)。其中材料A对特定的待测气体灵敏度高。而对干扰气体灵敏度低;材料B对特定的待测气体灵敏度低。而对干扰气体灵敏度高，且接近或略大于A对干扰气体的灵敏度。经此比较，就可提高气敏元件对待测气体的选择性。另外，由于材料B的补偿作用，可提高元件的稳定性，同时还可缩短初期驰豫时间，并进行湿度补偿，其理论推导如下一、两种材料对气体检测的灵敏度关系图1.是本专利技术的气敏元件工作原理示意图及其符号。图1.中VH为加热电压，VC为工作电压，VT为输出电压，A、B分别代表两种气敏基体材料。假设材料A的电阻为R1，材料B的电阻为R2，它样接触气体后分别变为R′1、R′2，材料A和材料B对气体的灵敏度分别为β1= (R1)/(R＇1) 、β2= (R2)/(R＇2) ，元件在空气中输出电位为VT，接触气体后为V′T，则V= (V＇T)/(VT) =( (R＇2)/(R＇1+R＇2) )/( (R2)/(R1+R2) )= (R＇2(R1+R2))/(R2(R＇2+R＇2))= (R2)/(β2) (R1+R2)/R2( (R2)/(β1) + (R2)/(β2) )=(R1+R2)/(R1(β1)/(β2) +R2)=(1+ (R2)/(R1) )/( (β2)/(β1) + (R2)/(R1) )由上式可得到图2中的曲线，并且(1)当β1＝β2时，r＝1，输出电位不变;(2)当β1＞β2时，r＞1，输出电位上升;(3)当β1＜β2时，r＜1，输出电位下降。对特定的待测气体，材料A的灵敏度应比材料B的大，即第(2)种情况。对干扰气体，材料A的灵敏度与材料B的灵敏度相等，即情况(1)，此时元件对该气体不敏感，可用于定量检测。若满足第(3)种关系，则输出电位下降，材料B的灵敏度大于材料A的灵敏度，就可以很好地实现对待测气体与干扰气体的区别，从而有效地提高元件的选择性。二、温度系数的影响设由于温度的变化，R1→R1+△R1，R2→R2+△R2，VT→VTW，则VT-VTW=( (R2)/(R1+R2) - (R2+△R2)/(R1+R2+△R1+△R2) )Vc= (R2(△R1+△R2)-△R2(R1+R2))/((R1+R2)(R1+△R1+R2+△R2))要VT-VTW＝0，则R2△R1-△R2R1＝0即 (R2)/(R1) = (△R2)/(△R1)因为α(T)＝ 1/(R) (△R)/(△T) 所以 (R2)/(R1) = (α2·R2)/(α1·R2)式中α1、α2为温度系数。由此可知，要使输出电位不随温度变化，只须两种材料的温度系数相等。在制作元件时，满足这个条件就可以达到温度补偿，进而达到提高元件稳定性的目的。三、响应时间与恢复时间1.响应时间设材料接触气体后，其电阻响应满足 (τ为时间常数)则，R′1=R1e-tτ,R2′=R2e-tτ,]]>τ1、τ2分别为材料A和材料B的时间常数。若元件接触气体后，其输出电压由VT变为VTr，则(VTr)/(VT) = (R2＇/(R＇1+R2＇))/(R2/(R1+R2))= (R2＇(R1+R2))/(R2(R1＇+R2＇))=R2e-tτ1(R1+R2)R2(R1e-tτ1+R2e-tτ1)]]>=R1+R2R1exp(-tτ1+tτ2)+R2]]>=1+R2R1exp(-tτ1+tτ2)+R2R1]]>当τ1＝τ2时，VT＝VTW当τ1＜τ2时，VT＞VTW，响应快;当τ1＞τ2时，VT＜VTW，响应慢。对待测气体，要求τ1＜τ2，即材料A响应要快;对干扰气体，要求τ1＞τ2，即材料A响应要慢。2.恢复时间设材料脱离气体后电阻恢复满足RS=R′(1-e-tτ)]]>则元件脱离气体后材料A的电阻R1S=R1′(1-e-tτ1)]]>，材料B的电阻R2S=R2′(1-e-tτ1)]]>。元件的输出电压由VT变为VTS(VTS)/(V＇T) = (R2S/(R1+R2))/(R2＇/(R1＇+R2＇))= (R2X(R1＇+R2＇))/(R2＇(R1+R2))=R2′(1-e-tτ1)(R1′+R2′)R2′[R1′(1-e-tτ1)+R2′(1-e-tτ1)]]]>=R1′+R2′R′11-e-tτ11-e-tτ1+R2′]]>令ζ=1-e-tτ11-e-tτ1]]>, 则VTTT=R1＇+R ＇2R1ζ+R2]]>(1)当ζ＝1，即τ1＝τ2时，VTS＝V′T，不恢复(2)当ζ＞1，即τ1＜τ2时，VTS＜V′T，恢复快(3)当ζ＜1，即τ1＞τ2时，VTS＞V′T，恢复慢。对待测气体，要求τ1＜τ2，即材料A恢复要快，这一条件跟材料A响应快的条件一致。四、初期驰豫时间对于现有的气敏元件，一般说来都有一初期驰豫时间，即当接通加热电压时，元件电阻由大变小，经一段时间后再逐渐回升而趋于一稳定值。由通电到电阻稳定所需的时间就叫初期驰豫时间，又称初期稳定时间，由于存在驰豫时间，这给应用带来诸多不便。本专利技术选用初期电阻上升和下降的幅度差不多，驰豫时间靠近的两种基体材料来构成整体气敏元件，则元件之输出电压即A、B两部分的分压VT可保持稳定。从而可缩短元件的初期驰豫时间，并提高元件的初期稳定性。五、抗湿度能力通常气敏元件都会受到湿度的影响，主要原因是由于元件的电阻随湿度的变化而变化。因而湿度的变化就会导致气敏元件不稳定，为了排除湿度的干扰，本专利技术在选择A、B两种气敏基体材料时，除了考虑上面所述的条件外，还使A、B两种材料的电阻随湿度变化的特性尽可能相同。利用它们相互补偿的作用，使其电阻随湿度变化造成的影响相互抵消。这样，就可达到湿度补偿的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高气敏元件选择性、稳定性的方法，该方法采用气敏基体材料，其特征在于其中一种气敏基体材料作为补偿元件，它也接触待测气体，并与另一种气敏基体材料合成一起构成一个整体气敏元件，由各种气敏基体材料的两两不同的组合构成元件，可得到不同选择性的气敏元件。

【技术特征摘要】
1.一种提高气敏元件选择性、稳定性的方法，该方法采用气敏基体材料，其特征在于其中一种气敏基体材料作为补偿元件，它也接触待测气体，並与另一种气敏基体材料合成一起构成一个整体气敏元件，由各种气敏基体材料的两两不同的组合构成元件，可得到不同选择性的气敏元件。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴兴惠，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]