才春利  付蔷    王黎东  姜思明  魏天举□ 

摘  要：本文对影响报警器稳定性的因素进行初步探讨，提出一些改善报警器稳定性的方法。对于二氧化锡为敏感材料的报警器，其稳定性主要受两方面因素的制约：测量电路和二氧化锡基敏感元件。

关键词：气体、报警器、稳定性、电路 

一、报警器的测量电路与报警器稳定性的关系

1、测量电路原理

一般来说，以二氧化锡为敏感材料的报警器的测量电路比较简单，往往不被重视，但实际上，测量电路对报警器的稳定性和灵敏度有着非常重要的作用。

报警器的测试电路简图如图1所示。回路电压为V_C，测量电路电阻为R_L，敏感元件的电阻为R_S。我们知道，对于二氧化锡基敏感元件来说，在空气中阻值R_S较大，一旦接触敏感气体，元件的阻值R_S迅速减小，敏感元件阻值的变化会导致输出电压V_RL的变化，V_RL与R_S满足方程（1）的关系：          (1)

图1  输出电路示意图

    我们知道，在一定的范围内，敏感元件阻值的对数与气体浓度的对数成线形关系，文献报导的直线斜率a一般在-0.3~-0.8之间，直线的截距为工作状态下空气中没有敏感气体时元件初值电阻R_SO的对数，用指数形式表达上述关系则有：R_S=R_SO×C^a            (2)

该帖子于2008-7-9 13:46:08被 在那里 编辑过

将（2）式代入（1）式，得到：       (3)

下面根据上述关系式分别讨论影响输出电压V_RL的因素。在下面的讨论中回路电压V_C按照国内报警器的一般惯例取为5V。

图2敏感元件电阻变化与输出电压的关系

2、测量电路电阻R_L与报警器稳定性的关系

根据方程（1），令R_L取0.2、0.5、1、2、5、10、20kW时，分别将R_S 对V_S作图，得到图２。 由图2可见，不论测量电阻R_L取何值，输出电压V_S都有随敏感元件的电阻R_S的减小而增大的趋势。只是当R_L取值较小时(如0.2或0.5kW)，V_S在R_S阻值较低时（如0~5kW）变化急剧，当R_S阻值较高时，V_S随R_S的变化很小；但当R_L取值较大时(如10或20 kW)，整体上 V_S随R_S的变化平缓，不存在急剧变化的情况；当R_L取值为1、2、5kW时，V_S随R_S先变化较大，而后变化较小。

上述规律有助于改善报警器的稳定性。众所周知，在实际工作条件下，敏感元件的电阻会由于温度、湿度和干扰气体及自身的某些因素而产生一定变化，即产生电阻的漂移，报警器中由于敏感元件电阻的漂移引起报警器输出电压的漂移。若令R_so=50 kW，从图2可见，当R_L为0.2和0.5 kW时，假设在未与敏感气体接触时由于某种原因R_so产生5 kW的变化，输出电压V_RL几乎没有变化；当R_L为10和20kW时，R_so产生5kW的变化，输出电压V_RL变化很明显。也就是说当R_so的变化一定时，R_L越大，输出电压V_RL随R_so的变化越大，即表现出不稳定性。所以为了提高传感器的稳定性，可以适当减小R_L, 这样敏感元件的初值电阻即使产生一定的变化，输出电压的变化也很微小，只有当与敏感气体接触，敏感元件阻值减小很大，使图2的曲线进入迅速变化的区域时，才会产生较大的输出信号而报警。

图3 不同测量电路电阻R_L对输出电压V_RL的影响

该帖子于2008-7-9 13:47:58被 在那里 编辑过

公式（3）中，令a=-0.5, V_S=5V，R_so=50kW，当测试电阻R_L取不同的值时，将输出电压V_RL对气体浓度作图得图3。R_L较小时，最大输出电压较小，在低浓度的输出值逐渐增大，而后变化逐渐变小，但没有明显的饱和；R_L较大时，最大输出电压较大，在低浓度的输出值增大极快，而后很快趋于饱和。所以为了获得较大的输出信号，R_L不能太小，否则输出值过低，不利于信号检测。

考虑到在工作环境中，影响敏感器件的因素复杂，敏感器件往往存在的零点不稳定的实际情况，十分有必要利用上述关系对稳定性的不足进行拟补，通过调节测量电阻R_L可以较方便地改善报警器的稳定性。综上所述，测试电阻R_L的取值对报警器的稳定性，特别是零点漂移，有很大影响，要获得较好的稳定性必须降低R_L的值，但是R_L的取值不能过低，否则不利于检测输出信号。所以，我们可以根据对报警器零点漂移的要求，结合报警器对输出信号的检测精度，选择最佳的测试电阻R_L阻值。               

二、敏感元件与报警器稳定性的关系

1、敏感元件初值电阻R_so、敏感元件线性斜率a与稳定性的关系

初值电阻R_SO是敏感器件的重要指标之一，它对输出电压V_RL有很大的影响。初值电阻R_SO与输出电压V_RL的关系见图2和图3。从图2可见，不论R_L取何值，R_SO越小，输出电压随R_SO的变化越大，R_SO越大，输出电压随R_SO的变化越小。R_L一定时，从图3可见，R_SO不同，输出电压—浓度曲线有很大的区别，R_SO较小时（如R_SO=1），V_RL整体输出较大，V_RL在500ppm时急剧增大，之后基本达到饱和。R_SO较大时，V_RL整体输出较小，但V_RL在较大范围内平缓增大。所以，为了提高报警器的稳定性，特别是克服工作状态时由非敏感气体引起的零点漂移，参照图2气敏元件的初值电阻R_SO应取较大值，这时R_SO有小量的变化V_RL变化很小，即零点漂移很小；同时应参照图3，R_SO不能取值过大，否则输出信号过小，不利于信号检测。总之，根据实际情况对稳定性和输出信号的要求，利用上述关系可以定量的确定R_SO的取值范围。从上述关系确定R_SO的取值范围后，可以有目的在敏感元件的制备过程中通过掺杂Sb₂O₃、MgO等物质调节敏感元件的电阻，所以上述讨论对气敏元件的制备具有实际的指导意义。

敏感元件线性斜率a是敏感元件对敏感气体响应的一个特征指数，许多研究者探讨了影响敏感元件线性斜率的机理^[1,2]，但目前还未达到用理论精确指导实践的阶段，对参数a的调节主要通过不同物质的掺杂实验来实现。敏感元件线性斜率a对报警器输出电压的影响见图4，从图中可见，a的绝对值越大，V_RL整体输出较大，a的绝对值越小，V_RL整体输出较小。a的绝对值较大时，V_RL随着浓度的增大先急剧增大，然后变化平缓趋于饱和；a的绝对值较小时，V_RL随着浓度的增大始终变化平缓。

通过对R_L、R_SO和a的讨论，我们可以发现要提高报警器的稳定性可以从三方面入手：即调节测试电路电阻R_L、调节敏感元件的初值电阻和调节敏感元件的线性斜率a。

图4不同初值电阻R_SO与输出电压V_RL的影响

2、表面修饰技术与稳定性

文献报道表明单纯的掺杂往往难以解决居室中的烟雾、湿度和乙醇等的干扰，要获得稳定性好的报警器不能仅凭借掺杂来解决问题。为此发展出应用表面修饰技术来实现元件的抗干扰性，增强长期稳定性的表面修饰技术^[3]。这里所说的表面修饰技术从修饰的方式上将有两种类型：敏感器件的涂层处理和二氧化锡颗粒表面的涂层处理。

图5 敏感元件线性斜率a对报警器输出电压的影响

敏感器件的涂层处理是指在敏感器件的表面涂覆一层起到隔离作用的涂层。根据涂层的工作性质可分为表面隔离层^[4]和表面催化层。表面隔离层是指利用SiO₂、Al₂O₃、分子筛等物质制备涂层，该涂层可以阻止水蒸气或大分子气体，使敏感器件具有一定的抗干扰性，该类涂层常用于氢气敏感元件，通过选择合适的分子筛可实现仅让氢气通过该涂层，而水分子、乙醇和其它有机大分子气体却无法进入敏感器件内部的敏感层，有隔离作用的隔离层，从而提高元件的抗湿性和由于湿度引起的零点漂移。

表面催化层法是利用表面催化层除去干扰气体，从而提高元件的抗干扰能力和长期稳定性。例如将Pd、Au等贵金属掺入Al₂O₃粉末中，并加入Ga₂O₃等活性剂，制成活性催化材料，然后用高分子黏合剂制成活性浆料。将浆料涂于敏感元件的表面，烘干，烧结即得到有对乙醇、水、烟雾抗干扰性能的敏感元件。

二氧化锡颗粒表面的涂层处理是指将二氧化锡颗粒表面涂覆纳米第二相物质，如二氧化硅、三氧化二铝等物质。比如用二甲基二乙氧基硅烷的甲苯溶液处理二氧化锡粉末^[5]，在颗粒表面形成纳米涂层，纳米粒子与二氧化锡颗粒以Sn-O-Si键连接。这样处理后的材料对H₂的选择性有大幅度的提高，对水、醇、烷类气体的抗干扰能力增强。这样可以提高敏感元件的稳定性。

三、总结

   总之，影响报警器稳定性的因素复杂多样，本文所探讨的只是诸多影响因素中较为基本和重要的。通过以上探讨，我们可以对报警器的工作原理有一定的认识，对影响输出值的因素有进一步的了解。

本文对气体报警器的稳定性从测量电路和敏感元件本身两方面做了探讨, 结论如下：

（1）测量电路电阻R_L与报警器稳定性紧密相关，通过调节测量电阻R_L可以较方便地改善报警器的稳定性。

（2）敏感元件初值电阻R_SO、敏感元件线性斜率a与报警器输出电压有密切关系，通过调控初值电阻R_so、敏感元件线性斜率a可以改善报警器的稳定性。

（3）通过表面修饰技术可以有效提高报警器的稳定性。

参考文献

[1].    M. J. Madou and S. R. Morrison, Chemical Sensing with Solid State Devices，Academic Press, New York. 1989: 74

[2].    P. K. Clifford. Homogeneous Semiconducting Gas Sensors: A Comprehensive Model; 135-46 in Proceedings of the 1st International Meeting on Chemical Sensors (Fukuoka, Japan. 1983). Edited by T. Seiyama. Elservier, Oxford, U. K.

[3].    黄忠宇，孙良彦　传感器技术，1993, (4): 10

[4].    孙良彦，刘正绣　吉林大学自然科学学报，1997, (7): 274

[5].    Kenji Wada, Makoto Egashira, Sensors and Actuators B 53 (1998) 147

Discussion About  Stability of Gas Alarm Units

Abstract :In this paper, preliminary discussion of the factors affecting the stability of gas alarm units is given.  Several methods used to improve the stability of alarm units are submitted. In our opinion, there are two main factors which affect the stability of gas alarm units using stannum dioxide sensing material: one is the measuring circuit , and the other is the property of Stannum dioxide -based sensing material.

Key words: Gas alarm units, Stability, Circuit, Stannum dioxide-based sensing material

作者简介：

才春利、付蔷、姜思明、魏天举：哈尔滨海格通江敏感技术有限责任公司，

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王黎东：哈尔滨工业大学材料学院）