J. Kita 等人：用陶瓷基片的高溫氣體傳感器的熱導(dǎo)率和電阻率

【引言】

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)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(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置。氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測(cè)量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測(cè)對(duì)象到應(yīng)用領(lǐng)域。

【成果介紹】

J.Kita 等人認(rèn)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(xué)惰性的。陶瓷基板，尤其是氧化鋁基板，通常被認(rèn)為是理想的傳感器基板。然而，它們的電阻率和它們的化學(xué)惰性都不夠理想。甚至，熱導(dǎo)率也具有溫度依賴性，在建模溫度曲線時(shí)必須考慮它。在這方面，測(cè)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(dǎo)率。在這項(xiàng)研究中，用激光閃光設(shè)備（LFA1000 Laser Flash，Lin-seis，Selb，德國(guó)）測(cè)定導(dǎo)熱率。此外，暴露于NO₂的未涂覆的叉指結(jié)構(gòu)在300℃下時(shí)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(dǎo)讀】

圖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。

圖2：96%和99.99%的氧化鋁基板的熱傳導(dǎo)率的溫度依賴性。（T）很近似地?cái)M合了函數(shù)方程（1），根據(jù)以下參數(shù)：對(duì)于99.99% Al₂O₃，B＝141.43 W/（m·K），T_d＝147.44 K，B₀=9.43 W/（m·K），以及對(duì)于96% Al₂O₃，B＝50.97 W/（m·K），T_d＝220.27 K和B₀＝7.79 W/（m·K）。這些函數(shù)被繪制成曲線。

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

圖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(dǎo)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B＝141.43W/（m·K），T_d＝147.44 K和B₀＝943W/（m·K）（實(shí)線）。

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

圖6：96%氧化鋁在不同溫度下的阻抗譜的例子。插補(bǔ)：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(gè)并聯(lián)電路。

圖7：電阻率為96%和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。

圖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(diǎn)）阻抗數(shù)據(jù)計(jì)算。實(shí)線顯示由紅外光譜確定的傳感器室的出口濃度。

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

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