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这些半导体陶瓷能保护采矿工人!
2020年09月25日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:339
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地球千万年来的积累,让地壳中蕴藏了大量具有经济价值且几乎任何不能由农业生产的原始物质。由于这些物质基本都是由矿物提供的,因此采矿业成为了当今世界上最重要的产业之一。对许多国家来说,采矿业也是推动经济发展的主要产业之一。

半导体陶瓷

然而,采矿业并不是那么美好的行业,最被人们关心的就是矿工的安全问题,他们的工作中随时面临着大量的危险。有资料显示,我国目前煤矿事故中1/2以上为瓦斯爆炸事故,爆炸产生的高温高压能促使爆炸附近的气体以极大的速度向外冲击,造成人员伤亡。因此为了预防这些灾害的发生,能够检测气体浓度及所含成分的半导体气敏传感器就被派上了用场。

气敏传感器的材料及保护原理

气体敏感材料是对环境气氛中的某些氧化性气体、还原性气体或有机溶剂蒸汽十分敏感,这些气体在材料表面的吸附和脱附会引起材料电学性质(例如电阻率)的明显改变,从而达到报警的目的。由于对气体具有敏感性,所以这类半导体材料得名为半导体气敏材料,半导体气敏材料可广泛应用于对可燃性气体和有毒性气体的检测、检漏、报警和监控等领域,由于这类材料大都是半导体陶瓷,所以我们又常常称其为气敏陶瓷

半导体陶瓷

气敏电阻的材料是金属氧化物,制作上通过化学计量比的偏离的杂质缺陷制成的。金属氧化物半导体分为N型半导体(如SnO2Fe2O3等)和P型半导体(如CO O,PbO)等。为了提高某种气敏电阻对某些气体成分的选择性和灵敏度,合成这些材料时,还掺入催化剂,如钯(Pd),铂(Pt)等。

虽然这些金属氧化物在常温下通常是绝缘的,但制成半导体后却能显示气敏特性,利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度。一般可分为N型和P型两大类——遇到气体时电阻下降的材料为N型气敏半导体,反之则为P型气敏半导体。

具体的检测原理:当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在表面自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时,如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而形成正离子吸附。如H2CO、碳氢化合物等,被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时,载流子增多,使半导体电阻值下降。利用这种半导体气敏传感器和相应的电路即可构成矿井瓦斯超限报警电路,可见下图

半导体陶瓷

矿井瓦斯超限报警电路

半导体气体传感器在煤矿中的应用

在矿井这种密闭环境中,一旦发生一些磕磕碰碰,泄露出来的瓦斯极有可能会对旷工们造成极大的人身安全威胁,半导体气敏传感器就是检测环境中是否存在危险气体的一种重要手段。另外气体传感器也可以用于井下火灾检测,确保矿工在井下工作时不会因发生火灾而被困。在煤矿工作中,随时都有可能发生阴燃(冒烟火灾),其特点是二氧化碳和乙烯的释放,而半导体气敏传感器可以很快捷地检测倒任何冒烟的迹象,提醒工人灭火或撤离该区域,因此这些传感器的引入有助于最大限度地减少地下工人因火灾被困而导致死亡。

半导体陶瓷

目前这类传感器在大型煤矿生产的检测过程中已有应用,在井下工作面安装该传感器后,若环境瓦斯浓度超过 1.5%,将会发出报警信号,若瓦斯浓度超过2%,将会自动切断生产工作面的电源,停止生产后加紧通风,即可迅速降低瓦斯浓度,从而达到防治瓦斯超限的问题。

资料来源:

气敏传感器的原理及在预防煤矿瓦斯爆炸中的作用,杨李根。

粉体圈 NANA


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