湿敏电导的机理.pdfVIP

第31卷第8期 西 安 交 通 大 学 学 报 Vo1．31N98 1997年8月 JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITY Aug．1997 3 厶弓 湿敏电导的机理 弓 ]LJ 严百平 朱秉升 妥菱通芙孚， o40，西 1f) 摘要 从氧化物表面的吸附特点出发，认为表面oH对湿度教感起着非常重要的作 用；在此基础上解释 了湿度传感器中电子电导和离子 电导同时存在的微观机理，并培 出它们随环境湿度变化的数学关系．理论计算得到的阻涯特性与实验结果符合得很 好}谈理论也螗定性说明湿度传感嚣的快速响应． 中国田书资料分类法分类号 ． 轩 馒新静料 书 法 TN30421 … ‘’J ’Lfu 口 Id件． }新 等 有多种氧化物可 以作为湿敏材料，它们的阻抗随环境湿度变化．关手这种变化的机理，目 前主要以离子导 电机理[1和电子导电机理Ⅱ为代表．然而，不管是电子导 电机理还是离子导电 机理，它们都没有充分考虑材料表面的吸附特点，也没有考虑传感器响应速度的问题．最近，卢 跃东等 对MgCr：O．一Tio：湿敏陶瓷进行 了复阻抗分析 ，结果表明在全湿度范围离子 电导和 电子电导同时存在 ，但他们对这一结果并没有给予微观解释．对湿度传感器来说 ，表面的吸附 特点对其湿敏性能是十分重要的． 众所周知，水在常温下就可 以在氧化物表面形成离解吸附的羟基 (oH)；在更高的温度下 ， oH 吸附可达一个单分子层 ，即氧化物表面覆盖 了一层 oH．这些 oH可 以作为进一步物理吸 附水 的中心(活性点)，水分子与oH 问以氢键 的形式吸附，在高湿度环境下，氧化物表面可以 形成多层物理吸附水．在常温下把氧化物置于真空或低湿度空气环境 ，其表面的物理吸附水可 以脱附．而化学吸附水 ，即氧化物表面的oH在 250℃下抽真空才开始脱附，直到 450℃这些 ． OH仍不能完全脱附．单层物理吸附水的存在对 Grotthuss质子传辅是重要的，它有利于质子 (离子)电导 的形成．氧化物表面的物理吸附水能引起氧化物表面能带的弯 曲[4]，正是这种弯 曲 形成了电子电导． 由于氧化物表面的吸附特点对任何化学敏感都十分重要，因此 ，只有从敏感材料的表面吸 附特点出发，才能得到准确的敏感机理．本文通过分析敏感材料表面的吸附特点，从全新的角 度提 出了湿度传感器 电子 电导的微观机理以及离子 电导与环境湿度之 间的关系，推 出了阻湿 收到 日期 ：1995—07—05； 严百平 ，男，1963年 9月生 ，电子与信息工程学皖电子工程系 ．硪士l现为西安理 工大学应用物理系副教授 ． 西 安 交 通 大 学 学 报 第 31卷 特性的理论关系．文 中对湿度传感器的响应速度也进行 了分析 1 湿度敏感机理 1．1 电子 电导机理 J．F．McAleer等发现 低温时氧化物表面水吸附引起 电子 电导 ；卢跃东等n用复阻抗法 测量 MgCrO一TiO：湿敏陶瓷 的结论表明，表面存在电子 电导．产生这种 电子电导的原 因不可 能是水 的化学吸附，原因是水的化学吸附在低温下是不可逆的，其化学反应如下 H，O + O一—-2(OH)+ e (1) 反应生成的OH不会在低温下还原成H 0，对湿敏材料来说 ，这对应着从高湿到低湿的恢复时 间无限长．显然，湿敏材料表面 电子 电导产生的原因是物理吸附水．