电阻型常温气敏元件的设计及分析

电阻型常温气敏元件的设计及分析

张开文 2010.7.26

摘要 本文通过认真的分析和计算，结合生产和现行的产品情况分析了常温元件的工

作特性和性能参数之间的关系。明确地提出了常温元件的设计和制造应遵循的原则。常温元件最重要是元件的初始阻值R0范围为360Ω左右，最佳的阻值范围是200-330Ω，其输出

电压VRL应在0.8-1.2V的范围。为设计和制造常温气敏元件提供一定的依据和一些经验数据。

关键词 常温气敏元件 自热式气敏元件 元件阻值 元件功率 取样电阻功率

Design and analysis of resistance room-temperature gas sensor

Abstract Based on present room-temperature gas sensor products, detection and data

analysis was carried out to reveal the relationship between its work characteristic and performance parameter. Design and manufacturing principles for the room-temperature gas sensor were proposed. Results showed resistance of sensor (R0) was about 250Ω, optimized resistance range was 200Ω to 330Ω and corresponding output voltage (VRL) was 0.8 V to 1.2V.

Keywords Room-temperature gas sensor，Self-heating，Resistance of sensor，Power consumption of sensor

0 前言 金属氧化物半导体气敏元件问世以来已经大半个世纪。由于其导电

机理决定了金属氧化物半导体气敏元件要在一定温度下才能正常工作。因此金属氧化物半导体气敏元件的结构总是包括气体敏感部分和加热部分两大部分。然而这给使用和制造打来了不少的麻烦。为了解决金属氧化物半导体气敏元件的加热问题世界的科学工作者做了大量的研究，但始终没有实现常温型金属氧化物半导体气敏元件。但是通过大量的研究和实验，根据金属氧化物半导体气敏元件的机理人们研究出了所谓的常温元件，即不带加热器的金属氧化物半导体气敏元件。

半导体气敏元件基于金属氧化物半导体表面吸附气体的电子交换的原理。所有的物体都具有吸附的特性。吸附分物理吸附和化学吸附。通常物理吸附发生在低温阶段，物理吸附一般发生在较高的温度范围。物理吸附是物体表面靠范德华引力吸附，类似于水汽吸附凝聚成水分子附着在物体的表面，同时表面的水分子也不停的离开表面，在一定的条件下会达到一个平衡。它们在吸附与脱附的整个过程没有发生化学变化。也就没有电子的交换过程。化学吸附实施发生在物体表

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面的化学反应，有电子的交换，也伴随新的物质的生成。金属氧化物半导体气敏元件的气敏效应主要利用的是化学吸附效应。吸附过程同时伴随着脱附过程，吸附与脱附在一定的温度下总会达到一个动态平衡。吸附与脱附与半导体表面能量有关。物体表面能量的大小直接影响吸附和脱附的平衡建立过程的快慢。

半导体气敏材料如：SnO2表面吸附氧化性气体氧气O2时，SnO2将供给O2电子形成氧离子O2→O-2 →O- →O-2成为施主，由于失去电子半导体的电导降低。当半导体表面接触还原性的可燃气体时，还原性气体与半导体表面的氧离子发生氧化还原反映，生成新的物质，同时发生电子交换，电子又回到半导体表面，这样半导体的电导增加。通过检测半导体的电导变化从而实现对气体的检测。根据研究半导体SnO2对于一般的可燃性气体的检测温度在350度左右。氧化锌ZnO半导体的检测温度在400度左右。也就是说在这样的温度下可以实现对气体的化学吸附。当然不同的气体其实际的检测温度有所不同。 不论将其做成什么样结构的气敏元件，其工作温度都要满足这一要求。只不过不同的气体其反应温度有所不同而已。因此所有的气敏元件都是离不开加热器。然而加热器又给制作和使用带来许多的不便。人们想尽各种办法试图甩掉气敏元件的加热器，至今没有很成功的案例。但都在积极的减小元件的功率消耗。如减小元件的体积减少功耗，采用直热式结构即减少了体积也充分利用所供给的能量。最近的MEMS的气敏元件其功耗已经减小到30MW，但还是未能丢掉元件的加热部分。现在的所谓常温元件看起来没有加热器，实际上元件还是没有真正的实现不加热的常温元件。它采用了元件的自身发热来提供元件正常的的工作温度。所谓常温元件实际是元件自身发热的气敏元件。正确的应该叫做自热式气敏元件。还有一种常温振荡型气敏元件，该气敏元件与电阻型的常温元件的气敏机理有所不一样，这种震荡型常温气敏元件可以认为是真正的常温气敏元件，基本不依靠元件的自身发热来维持正常的工作。本文的设计原理不适用于常温振荡型元件。无论常温电阻型还是震荡性气敏元件都是气敏领域长期对半导体气敏元件的材料，结构，机理研究的结果。实现了一个供电电源的无加热器的气敏元件。在正常工作时功耗仅有100mw左右，电流在20mA左右。但其自身也存在一些不足，有些问题是无法解决的致命伤。如稳定性差，灵敏度低，启动慢，长期储存后性能变化引起不能启动，过载能力差易烧毁，检测气体受限等等问题。但是只要设计制作满足了该类气敏元件的特殊要求，元件可以在一定场合下得到很好的应用。

1 元件制作及结构

采用双螺旋直径为0.03的铂金丝Pt或合金丝，大线圈的直径0.4，圈数为6圈;小线圈的直径为0.2，圈数为6圈。先在小线圈上均匀的涂覆上一层气敏材料，待干燥后小心的插入带气敏料的大线圈内，调整好引线的方向，并防止两线

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圈发生短路。晾干并在80-100度的红外线烘箱中烘干。然后再高温箱式炉中烧结650度左右。最后用热压焊或点焊将其固定在气敏的管座上。经老化测试制成自热式半导体气敏元件。

元件在工艺条件允许的情况下应尽量小一些，两线圈间的距离要均匀，不能发生短路。涂覆要均匀，小球大小要一致，不能在其中形成空洞或气孔。

图一 自热式气敏元件的结构及尺寸

2 元件的设计

根据设计和检测气体的要求，研制出不同的气敏材料。自热式气敏元件比较适合制作广谱型，一氧化碳，可燃性气体，酒精等气敏元件。制作这样的元件首先要根据检测气体的要求和工作条件作出合理的设计。除敏感性外最重要的一点是元件在空气中的阻值要合理。否则元件就不能正常工作，即便是能工作也会在使用中出现这样或那样的问题，如启动困难，久置不能启动，过载能力差等等问题。元件的阻值太大根本就不能工作，其原因是元件的自身发热的温度不能支持元件正常工作。阻值太小可能造成通电瞬间元件就烧毁，或者灵敏度低，无法正常工作。下面就元件的设计做一简单的说明：

2.1元件的工作条件的设计

元件的阻值大小决定元件的的功率的大小，功率的大小直接关系到元件自身发热的大小。根据现行的制作工艺水平，自热式气敏元件的的结构大小在（Φ0.5~0.6）的范围，要使元件能正常的工作，元件的温度应该在300℃以上。根据制作直热微球式气敏元件的相关数据(0.9v*130Ma=117mw)和经验其功耗应该在100mw左右。检测不同的气体元件的温度有所不同。一氧化碳元件的工作温度比较低，其元件的功耗在100mw左右。甲烷元件的工作温度高，元件的功率就应该高一些，根据催化元件的相关数据（黑白两个元件的2.5v*100mA）应该在120mw

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左右。根据P=U2/R来设计元件的阻值。这里的U就是元件正常工作在清洁空气中的元件的压降。根据现在的电路的设计和使用习惯，元件工作电压可以在3~9v的范围选取。根据实验和相关的计算认为这里的U在3~6v的范围比较合适。即方便元件的设计和制作又符合一般的使用习惯。如果U太小元件的阻值也将很小，元件即使能正常工作其信号也会很小。如果U太高，元件的阻值就相应高一点问题不大，但不能满足一般低电压电路的使用。现在设计的常温元件的工作电压都是6v。根据元件的工作6v，元件的功率为100mw，就可以设计元件的阻值和取样电阻。

2.2元件的阻值RS

元件的阻值是一个不定的动态变量，很难用什么方法来准确的设计，但是在这里可以简单的把它作为一个理想的可变电阻体来看待。因此它也可以遵循电工的计算方法。实际的元件阻值是通过配方的调整得到的

设：元件正常工作的功耗Ps=100mw=0.1w 工作电压 Uc=6v，取样电阻上的压降VRL通常取工作电压的1/5~1/10，取样电阻越低其输出越小，但元件的敏感特性上升的空间就越大，这里取值为1/6的工作电压为VRL=1v,那么元件的压降VRS=6-1=5v

P=U2/R R=U2/P 代入数据 则R0=52/0.1=250Ω

根据计算元件阻值正常工作在清洁空气中的初始电阻R0应在250Ω左右的范围是最理想的。如果功率取0.12w则R0=52/0.12=208Ω。

2.3取样电阻RL

元件的阻值在（250Ω）左右的范围，但元件要正常的工作还必须在取样回路中与取样电阻相配合。取样电阻选取不好元件也是不能正常工作的，因为取样电阻的大小直接的影响流过元件的电流大小，电流的大小决定元件功率大小。功率的大小决定元件表面的温度，所以取样电阻一定要与元件的阻值相匹配。选取的原则是：元件正常工作时取样电阻的功耗远小于元件上的功耗，但又不能太小使元件的输出过小。建议取样电阻为元件电阻的(1/5~1/10)。现行元件的取样电阻为元件电阻的1/5即51Ω左右，这是按标准电阻系列决定的。取样电阻的改变元件的工作状态都将发生变化。

2.4元件的输出电压V0

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根据图2的检测原理按上述的元件电阻250Ω，取样电阻为51Ω经计算其V0=6*51/250+51=1.0166v。按照所设计出来的元件：元件的初始阻值R0=250Ω 工作电压=6v 取样电阻=51Ω 其V0=1.00166v。实际元件的V0在0.8-1.2V是最理想的范围。只要气敏材料做出的元件满足V0在0.8-1.2V的范围，阻值在200-330Ω左右，元件就一定能很好的工作。元件的输出电压是由元件的工作电压和元件的阻值决定的。在实际生产中通过检测元件的输出电压就能控制元件的性能。

2.5工作电压为6v的常温元件的设计举列

设计：根据Vc=6v元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=6v的1/6为1v,那么元件的压降VRS=6-1=5v，元件的功耗设为Ps=100mw： 一、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=5v，元件的功耗Ps=100mw 代入得：

Rs=VRS/Ps=52/0.1=250Ω

二、求取样电阻RL

取样电阻的压降即VRL=1 流过的电流I=V/R 因为流过元件和取样电阻的电流相等所以I=Is=5/250=0.02A 代入R=V/I 得： RL=1/0.02=50Ω

由于50Ω不是标准系列的电阻，不易购买。建议采用E24系列5%或E96 系列1%精度的金属膜电阻。这样按上述系列可以选取51Ω的电阻作为取样电阻。 根据上面的计算结果，工作电压Vc=6v的常温气敏元件：清洁空气中元件的阻值Rs=250Ω左右，取样电阻RL=51Ω为最佳的工作条件

3 常温气敏元件的结构材料分析

半导体微球自热式气敏元件由两个大小不一的铂金丝线圈组成。较大的线圈套在较小的线圈的外面，组成一个同心圆，然后均匀的涂覆上气敏材料，经烧结而成。组成的同心圆的间距应保持均匀，不得有短路现象。气敏涂料要求均匀饱满，不能有空洞和气泡。

3.1线圈的大小

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根据原理在制作工艺允许的条件下应尽量的小一点，这样做出来的元件相对来说体积也就会小一点，需要的功率也就会小一点。也不能太小，太小致使大小线圈之间的间距太小，一是给工艺制作带来困难，成品率低。二是在使用时过载能力太差，甚至容易造成短路。一般情况两线圈的间距在0.1左右，线圈的长度0.5左右。

3.2线圈的材料

线圈在这里一是做电极的引出线的作用，二是起固定气敏材料的支撑作用。因此制作线圈的材料，凡是能耐高温抗氧化导电良好的金属丝都可以用来制作元件的线圈。线圈的线径根据元件的具体尺寸和元件机械强度的要求应该比较的细，通常0.03mm左右就可以了。太粗了耗材多成本高，太细了机械强度差，操作困难。材料可以是金丝，铂丝，抗氧化的合金丝均可。合金丝如金钯铂，金钯钼，甚至镍铬都可以。最好还是铂丝和铂的合金，它具有耐高温，抗氧化能力强，机械强度也较高等优点。

3.3线圈的位置

理想的元件是大小两个线圈处于平行的同心圆的位置。这样元件各点的分布电阻比较匀。如果两线圈不在同心圆的位置，且相差较大，作为电极的线圈各点间的分布电阻就不均匀，这样造成电流分布也不均匀，薄弱的点很有可能就会被击穿发生短路烧毁。

4 元件工作状态下的技术参数分析

4.1、元件的工作原理

图二 元件工作原理图

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常温元件与取样电阻串联，施加6V的工作电压，电流流过元件自身发热，当元件自身发热的能量与元件吸附和脱附需要的能量相当时元件进入正常的工作状态，也可能产生周期振荡。如果元件的阻值太大，流过元件的电流太小，其自身产生的热量不足以满足元件正常工作。如果元件的阻值太小虽然流过元件的电流较大，但是元件上的压降很小，其功率也很小，自身的热量也不能满足元件正常工作的要求，也不能正常工作。只有元件的阻值在一合适的范围元件才能正常工作。根据实验可知元件的阻值范围应在250Ω左右，最佳的阻值范围是200-330Ω。

4.2元件工作状态下的参数变化关系

元件的工作原理如图2所示。根据工作原理图其输出电压VRL、元件阻值RS、流过元件的电流I、元件上的功率Ps、取样电阻上的功率PRL、基本遵循经典的电工原理计算方法：

根据图二 VRL=VC*RL/（RS+RL） RS=VC*RL/VRL –RL （1） 将 VC=6V RL=51Ω 代入（1）式，

得： RS=VC*RL/VRL –RL=306/VRL-51 (2) 流过气敏元件和取样电阻上的电流I：

I=VC/RS+RL （3）

那么在气敏元件上功率Ps和取样电阻上的功率PRL分别为：

PS=(VC/RS+RL)(VC-VRL)=(6/RS+51)(6-VRL) （4） PRL=VC*VRL/RS+RL=6VRL/RS+51 （5）

电路总的功率：

P=PS+PRL （6）

设：VRL=0.25\\0.5\\1.0\\1.5\\2.0\\2.5\\3.0\\3.5\\4.0\\4.5v 并带入式（2）（3）（4）(5)（6）分别得到RS\\I\\PS\\PRL\\P 如表一所示： 表一 输出电压与元件阻值、电流、功率的关系

序号 参数 参 数 值 （VC=6V RL=51Ω） 7

1 2 3 4 5 6

VRL(V) 0.25 RS(Ω) 0.5 1 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 36.4 25.5 17 1173 561 255 153 102 71.4 51 I(mA) 5 Ps(mw) 28.75 PRL(mw) P总(mw) 9.8 19.6 29.4 39.2 49.0 58.8 68.6 78.4 88.2 54 98 132 157 172 176 172 157 132 1.25 5 30 59 19.6 44.1 78.4 123 176 240 314 397 117.6 176 235 295 353 412 471 529 将以上的数据作图如图三所示：

从图三可以看出元件的输出电压和电流与元件的阻值关系：元件的阻值大其输出电压小，流过元件及取样电阻的电流也小。随着元件的阻值下降元件的输出电压上升，流过元件及取样电阻的电流成直线上升。然而元件的功率Ps是随元件的阻值下降先升高，当元件的阻值下降到51Ω时，即元件的阻值等于取样电阻的阻值时元件上的功率达到最大值176mW。元件阻值继续下降元件上的功率随之下降。呈对称的抛物线形。

然而取样电阻上的功率PRL却成指数式的上升。但在取样电阻上的功耗对气敏特性不做贡献。总的功率呈直线上升的趋势。

元件在实际工作时也是这样。当元件接触可燃性气体时，元件的阻值下降，元件的功率先开始是上升，一旦元件的阻值降到取样电阻以下元件功耗开始下降，也呈抛物线形。而取样电阻上的功耗也是呈指数形式上升。

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1400120010008006004002000123456789101 VRL(V)2 RS(Ω)3 I(Ma)4 Ps(mW5 PRL(mW)6 P(Mw) 图三 元件的阻值Rs与输出V

RL

、电流I、元件上的功率Ps、取样电阻上的功率PRL、总功率之间的关系

4.3 元件阻值的气敏特性分析

当元件的工作条件Vc与RL确定后，元件阻值的大小就直接关系元件的工作状态。这里所说的元件阻值是指元件在空气中的初始组织R0，元件阻值太大或太小都不能正常的工作，只有元件的初始阻值在一合适的范围元件才能正常工作，在上面已经进行了简单的分析。下面我们就元件的阻值与元件的功耗来进一步说明。根据上面的数据做出图四。

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图四 输出电压V

RL

、电流I、元件上的功率Ps、取样电阻上的功率PRL、总功率之间的关系

由表一中的数据我们可以看到：当元件的输出电压在0.5V时，即取样电阻上的电压为0.5V时，元件的阻值大约是561Ω。这时元件的功耗大约54mw，取样电阻上的功耗也就5mw。也就是说整个回路上消耗的功率基本上在气敏元件上，该功耗产生的热量对元件进行加热，元件在54mw的功率下大概的温度在160℃左右，这时元件基本能进入正常的工作状态，具有一定的气敏特性。当元件的初始阻值低于561Ω，随着元件阻值的降低其输出电压将增大，元件在回路中的功耗将随元件的初始阻值而上升。当元件的初始阻值与取样电阻RL一样，即51Ω时，元件上的功耗达到最大值176mw左右，取样电阻上的功耗也达到176mw。这时元件上的功耗和取样电阻上的功耗相等。这时元件也能正常工作，但元件的敏感特性并不高，因为元件输出已经上升到了3v，离工作电压6v也就只有3v的压差，没有多大变化的相对空间。这时元件的阻值只有51Ω，元件接触可燃性气体后元件阻值降低到10Ω，阻值比也就5倍。我们把输出电压为0.5v-3.0v这一区间定为元件的敏感区，图四红斜线与元件功率曲线所包围的区域。

根据半导体二氧化锡气敏材料的特性和微球式结构元件的功耗与温度的关系，以及制作元件的经验，微球式元件的功耗在100mw左右，元件的温度大约在200℃以上。从表一数据可以看出元件的功率在100mw左右时，其元件的阻值大约在250Ω左右，其相应的输出电压为1v。因此元件的阻值在200Ω-330Ω，输出电压为0.8-1.2v是元件的最敏感的区域。如图四的红色斜线区域中双斜线区域是元件的最佳敏感区。这时回路的功耗基本都是加在元件上，为元件敏感特性

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做贡献。所谓元件的最佳敏感区是指元件工作在最佳状态，不完全指元件的灵敏度。元件的功耗在100mw左右，可以稳定长期的工作，不会因为元件功率太大在长期的工作状态下发生严重的烧结现象。

当元件的初始阻值小于51Ω，即小于取样电阻值，元件就进入敏感衰减的区域。像这样低电阻的元件在该工作条件下就不能正常工作而成为废品。想要通过半导体表面的电子交换进一步的改变低阻元件的电导是很难做到的，因为低阻元件已经没有多少下降的空间了。

当元件的阻值大于561Ω，元件的功率小于50mw.，元件的表面温度低于160度，刚制作好的新元件也许还能工作。但经久置元件表面大量吸附水汽或其他一些气体，由于元件表面温度低，而不能排除元件表面吸附的水汽和其他的气体不能激活元件，而不能进入正常的工作状态。这一区域为元件的死区，即输出电压为0.5以下的区域，如图四红斜线以下的区域所示。

不同的检测气体对于案件有不同的要求，检测甲烷元件的工作温度要高一些所以设计时就要求元件的功率大一点Ps在130mw左右比较合适，这是对应输出电压为1.5v左右。一氧化碳的元件可以低一点Ps为100mw左右，对应的输出电压为1v左右。酒精的元件也要在110-120mw左右。这都可以通过初步试验后得到具体的一些经验数据，按不同测试气体进行基本设计后加以调整。

综上所述金属氧化物半导体常温型气敏元件的初始阻值直接关系元件是否能正常工作的关键参数。要使元件能正常工作，元件的初始阻值在200-330Ω之间，其输出电压在0.8-1.2v是最理想的范围。当然还要根据不同的气敏材料和不同的检测气体做一些具体的实验获取相关的数据才能设计制作出理想的产品。

五 常温气敏元件对气敏材料的要求

常温气敏元件对气敏材料的要求除了与一般的气敏材料一样都要求具有敏感稳定外，还应注意以下几点：

由于元件的初始电阻对于常温元件至关重要，因此要根据元件的工作条件设计合适的气敏材料。通过实验使所作的气敏材料的阻值范围在元件的最佳工作的敏感区内，这是最为重要的。由于气敏材料属于多晶的混合材料，虽然其阻值在一定范围内可以控制，但也不是很好控制的。能将气敏材料的阻值范围控制在某一个范围范围就可以了，但不能太分散；

常温型气敏元件与旁热式和直热式元件都不一样，旁热式和直热式元件的气敏材料都不直接通电发热维持正常工作，气敏材料上流过的电流很小，一般是微

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安级。功耗都很小，一般都在10mw左右。材料在长期工作条件下也基本不发热的，只有一定的极化，对材料影响不是很大。而常温型气敏元件要靠自身发热来维持元件的正常工作，除了受到电压的极化作用外，还长期经受自身发热的烧结作用，其烧结作用远比旁热式和直热式元件要强的多。因此常温型气敏元件的气敏材料的稳定性一定要高，否则元件不能长期正常工作，很快元件就会失效，通常元件经过一段时间就失去气敏性了；

元件的结构是微球式结构，是两个线圈套在一起，用气敏材料将线圈固定起来。这样元件的机械强度与气敏材料直接相关。元件在工作状态下受到长期的热胀冷缩的作用，线圈和材料的膨胀系数也有差异，因此气敏料和结构材料的金属线圈之间难免不发生变化，这也是影响元件稳定性的元件之一。所以气敏料的强度应比较的结实，以保证元件的机械强度敏感特性。

结论 金属氧化物半导体常温气敏元件其本质是自热式元件，元件在工作电

压下，流过元件的电流产生热量，当元件自身的热量满足气敏元件正常工作的条件下，元件就能正常的工作。因此元件的初始电阻是决定元件能否正常工作的关键参数。元件的设计和制作应满足以下的要求，元件就能正常的工作：

1、元件应该设计成微球状，其个体应尽量的小，以减少元件的功率要求。通常的直径为0.5左右，内外电极呈同心圆结构，间距均匀，为0.1mm左右，不得有短路现象；

2、元件的初始阻值根据元件的具体的工作电压和取样电阻来设计。当元件的工作电压为6v，取样电阻为51Ω时，元件的阻值在200-330Ω之间是最佳的阻值范围；

3、元件的初始阻值在200-330Ω之间，就能保证元件在清洁空气中的输出电压的初始值在0.8-1.2v的范围。元件的敏感特性就有足够的空间；

4、当元件的的工作条件发生变化后，也可以依据本文的设计思想设计能正常工作的产品。比如工作电压升高或降低，都应根据取样电阻和实际的工作电压来设计，保证元件工作在最佳的敏感区，即元件在清洁空气中的元件的功耗Ps为100mw（甲烷元件在130mw左右）左右就可以了。请看附录。

5、常温元件的气敏材料应该敏感，稳定，强度高，阻值较低并与工作电压匹配。

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以上是根据多年的实验和经验对常温气敏元件的设计的一些看法，没有很权威的理论依据，也许就是经验之谈，难免没有错误，欢迎交流讨论和指正。

二零一零年七月二十八写于郑州炜盛电子

附录 不同工作电压的常温气敏元件的元件阻值和取样电阻的设计

附录：一 工作电压为9v的常温元件的设计

设计：Vc=9v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=9v的1/6为1.5v,那么元件的压降VRS=9-1.5=7.5v，元件的功耗Ps=100mw 一、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=9-1.5=7.5v，元件的功耗Ps=100mw代入得：

Rs=VRS/Ps=7.52/0.1=562.5Ω

二、求取样电阻RL

取样电阻的压降即VRL=1.5 流过的电流I=V/R,因为流过元件和取样电阻的电流相等所以I=Is=7.5/562.5=0.013333A 代入R=V/I 得：

RL=1.5/0.01333=112.5Ω 由于112.5Ω不是标准系列的电阻，不易购买。建议采用E24系列5%或E96 系列1%精度的金属膜电阻。这样按上述系列可以选取110Ω的电阻作为取样电阻。RL=110Ω

根据上面的计算结果，工作电压Vc=9v的常温气敏元件：清洁空气中元件的阻值Rs= 562.5Ω左右，取样电阻RL=110Ω为最佳的工作条件。其正常工作的各个参数如表一所示： 序参号 数 VRL Rs Is 0.5 1.0 1.5 1870 880 550 参 数 值 （Vc=9v RL=110Ω） 2.0 385 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 286 220 173 138 110 88 22.7 70 50 55 54.5 42 59 31 64 22 68 4.5 9.1 13.6 18.2 27 31.8 36.2 41 45.5 13

Ps PRL P总39 73 102 127 148 164 175 182 184 182 175 164 148 127 102 82 111 145 184 227 275 327 385 447 511 2.3 9.0 20 41 82 123 36.4 57 164 204 245 286 327 368 409 450 491 533 574 614

7006005004003002001000123456789101112131415IsPsPRLP总 图- 工作电压为9v 取样电阻为110Ω的常温元件参数图

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2000180016001400120010008006004002000VRLRsIsPsPRLP总 图二 工作电压为9v 取样电阻为110Ω的常温元件参数图

附录二 工作电压Vc=6v的常温气敏元件的设计

一、VC=6V RL=51Ω

设计：Vc=6v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=6v的1/6为1v,那么元件的压降VRS=6-1=5v，元件的功耗Ps=100mw 一、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=5v，元件的功耗Ps=100mw代入得：

Rs=VRS/Ps=52/0.1=250Ω 二、

求取样电阻RL

取样电阻的压降即VRL=1 流过的电流I=V/R,因为流过元件和取样电阻的电流相等所以I=Is=5/250=0.02A 代入R=V/I 得： RL=1/0.02=50Ω

由于50Ω不是标准系列的电阻，不易购买。建议采用E24系列5%或E96 系列1%精度的金属膜电阻。这样按上述系列可以选取51Ω的电阻作为取样电阻。

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根据上面的计算结果，工作电压Vc=6v的常温气敏元件：清洁空气中元件的阻值Rs=250Ω 取样电阻RL=51Ω为最佳的工作条件

序号 参 数 参 数 值 （VC=6V RL=51Ω） 0.25 0.5 1 1173 561 255 5 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 153 102 71.4 51 36.4 25.5 17 1 2 3 4 5 6

1400VRL(V) RS(Ω) I(mA) 9.8 19.6 29.4 39.2 49.0 58.8 68.6 78.4 88.2 98 132 157 172 176 172 157 132 Ps(mw) 28.75 54 PRL(mw) 1.25 5 30 19.6 44.1 78.4 123 176 240 314 397 176 235 295 353 412 471 529 P总(mw) 59 118 120010001 VRL(V)8002 RS(Ω)3 I(Ma)6004 Ps(mW5 PRL(mW)4006 P(Mw)200012345678910 16

结论：工作电压Vc=6v 取样电阻RL=51Ω 元件的阻值范围在250Ω左右，其范围是200-330；输出电压1v左右，其范围在0.8-1.2v为元件的最佳敏感区。 二、Vc=6v RL=56Ω

设计：Vc=6v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=6v的1/6为1v,那么元件的压降VRS=6-1=5v，元件的功耗Ps=100mw 一、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=5v，元件的功耗Ps=100mw代入得：

Rs=VR2S/Ps=52/0.1=250Ω 二、

求取样电阻RL

取样电阻的取值为56Ω RL=56Ω

由于56Ω比计算的稍大一点

序号 参 数 参 数 值 （VC=6V RL=56Ω） 0.5 1 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 168 112 17

78.4 1 2 VRL(V) 0.25 RS(Ω) 1288 616 280 56 40 28 18.7

3 4 5 6 140012001000I(mA) 4.5 Ps(mw) PRL(mw) P总(mw) 8.9 17.9 26.8 35.7 44.6 54 49.1 62.5 71.4 80 156 143 121 219 286 361 25.7 1.1 26.8 89.1 121 143 156 71 112 160.5 160.5 4.5 17.9 40 53.6 107 161 214 268 321 375 429 482 VRL(V)800600400200012345678910RS(Ω)I(mA)Ps(mw)PRL(mw)P总(mw) 根据上面的计算结果，工作电压Vc=6v，取样电阻为56Ω的常温气敏元件的工作情况应该与VC=6V RL=51Ω的差不多。功率稍低一点。100mw往上移。

附录三 工作电压Vc=5v的常温气敏元件的设计

一、工作电压Vc=5v，取样电阻为33的常温气敏元件

设计：Vc=5v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=6v的1/6为约0.8v,那么元件的压降VRS=5-0.8=4.2v，元件的功耗Ps=100mw 1、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=4.2v，元件的功耗Ps=100mw代入得：

Rs=VRS/Ps=4.22/0.1=176.4Ω

2、求取样电阻RL

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取样电阻的压降即VRL=0.8 流过的电流I=V/R,因为流过元件和取样电阻的电流相等所以I=Is=4.2/176.4=0.024A 代入R=V/I 得： RL=0.8/0.024=33.33Ω

由于33.333Ω不是标准系列的电阻，不易购买。建议采用E24系列5%或E96 系列1%精度的金属膜电阻。这样按上述系列可以选取33Ω的电阻作为取样电阻。RL=33Ω

根据上面的计算结果，工作电压Vc=5v的常温气敏元件：清洁空气中元件的输出电压VRL=0.8v,元件阻值Rs=176Ω左右 取样电阻RL=33Ω为最佳的工作条

件

序号 参数 参 数 值 （Vc=5v RL=33Ω） 1.0 1.5 132 77 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 22 91 14 4.5 4.75 1.74 144 1 2 3 4 5 6 VRL(V) 0.25 0.5 RS(Ω) 627 7.6 36 1.9 297 49.5 33 76 8.25 3.7 136 I(mA Ps(mw) PRL(mw) P总(mw) 15.2 30 45.5 61 182 106 121 68.2 121 159 7.6 30 189 182 159 121 189 273 373 485 68.2 36 613 684 68.2 121 37.9 75.8 152 227 303 379 455 532 606 681 720

8007006005004003002001000VRL(V)RS(Ω)I(mAPs(mw)PRL(mw)P总(mw)19

图工作电压Vc=5v，取样电阻为33的常温气敏元件工作各参数曲线

注：曲线有点变形是由于取值的问题，不影响实际的应用 二、工作电压Vc=5v，取样电阻为39的常温气敏元件

设计：Vc=5v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=5v的1/6为约0.8v,那么元件的压降VRS=5-0.8=4.2v，元件的功耗Ps=100mw 1、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=4.2v，元件的功耗Ps=100mw代入得：

Rs=V2RS/Ps=4.22/0.1=176.4Ω

2、取样电阻大于33Ω取39Ω

序号 参数 1 VRL(V) 0.25 参 数 值 （Vc=5v RL=39Ω） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 4.75 2 RS(Ω) I(mA 741 351 156 91 58.5 39 26 16.7 9.75 4.33 2.05 3 6.41 12.8 25.6 38.5 51.3 64.1 77 90 103 113 122 4 Ps(mw) PRL(mw) 30.4 57.7 103 135 153 160.5 153 135 103 57.7 30.4 5 1.6 6.41 25 57.7 103 160.5 232 314 410 519 579 6 P总(mw) 32.1 64.1 128 192 256 321 385 449 513 577 609 80070060050040030020010001234567891011VRL(V)RS(Ω)I(mAPs(mw)PRL(mw)P总(mw) 20

从工作电压都是5v改变取样电阻的数据来看，基本的情况都差不多。最主要的是总的功率降低了元件的最大功率降低了，取样电阻上的功率也减低了。只要能正常工作适当的把取样电阻取值高一点是可以的，但一定要满足元件的输出电压在1/5左右时元件的自身功率在100mw左右就可以了，但最低不得低于50mw，否则元件就很难正常工作。

戴维莱的TP-2S振荡型一氧化碳元件的设计分析

戴维莱的TP-2S一氧化碳元件，该元件是振荡型的气敏元件。他不是靠元件自身发热来维持正常工作。其气敏机理至今还不是很清楚。据孙良彦教授分析认为：CO气体与SnO2表面吸附的O2进行反应生成CO3基，吸附在元件表面上，然后以CO2

进行热脱附。在该过程中，由于SnO2表面吸附O2的脱离，使SnO2表面势能降低，表面能级向下弯曲，使电导增大，电阻下降。这也就是振荡曲线上升的解。与CO反应脱离的O2的Sn+2处，再吸附O2,夺取电子，而式电阻增大。振荡曲线就向下。但是有人认为在常温下，O2很难在SnO2上吸附，即使在一定温度下如200℃，O2是否能在SnO2上吸附还无法证明。那么在常温元件为什么能实现呢你？有人认为是SnO2中掺如Pd,则使SnO2再氧化对CO的催化作用，而且Pd又是O2的供应点，由于它的增益效应，则向SnO2提供O2。因此电阻增大电流下降。

综上，常温气敏元件的振荡条件是：1）CO气体与SnO2表面吸附的氧的反应速度：2）在Pd上吸附的O2，向SnO2表面提供，提高SnO2表面再氧化速度（O2的扩散速度）；3）反应的分子数；4）反应生成物能迅速的离开SnO2的表面。

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5V的工作电压，取样电阻RL=51Ω，这样的设计是合理的。因为TP-2S是检测一氧化碳的，一氧化碳元件的工作温度低一点。这样把工作电压降低到5V，取样电阻应该降低，但是仍然是51Ω，这样元件的的功耗低。实际检测元件就是工作在常温状态，如果不启动辅助加热系统元件外壳是凉的。

在空气中元件不振荡，输出仅0.1v左右，计算：I=0.1/51=1.96mA，元件上的功率P=1.96*5.9=11.56mw。就是在800PPM的CO下其输出也只有0.8v左右，计算I=0.8/51=15.7mA,元件上的功率P=15.7*5.2=81.6mw，这时元件的温度最多就是200℃左右。当元件一直保持在测试气氛下，元件上的高温促使反应生成的CO2离

开元件表面，元件表面中的Pd的催化和促进元件又从新吸附氧，电导又开始下降，输出降低。这样反复升高和降低就产生振荡。当元件离开测试气体很快就降到室温。实际检测和计算可以看出元件正好工作在CO的敏感温度区。否则元件就不会振荡而成为电阻型的气敏元件。

检测一氧化碳是可以正常工作的。取样电阻上的功耗也低。这样就适应一氧化碳元件，但是元件的功耗低了很容易慢性中毒而失效，因此该元件要定期的加热清洗。该元件设计每45分钟采用8.5V的直流电压清洗8秒钟。并且初次通电为了保证元件能正常的进入工作状态，要求清洗的电流为100mA。另外元件还有一个辅助加热的电路，根据环境温度改变加热电压的占空比来调节元件内部小环境的温度以保证元件能正常工作。

根据戴维莱TP-2S一氧化碳元件的说明书可以看出元件正常工作时的V0在0.2左右，接触CO（100PPM）后元件开始震荡（幅度320mv），震荡的幅度和频率随浓度的增加而上升。上升和下降都比较的快。成尖脉冲状。当有乙醇（500PPM）时震荡在高位(320mv)呈衰减的趋势，其幅度不减(仍为320mv)。直到振荡停止后开始大幅度的震荡一段时间,又开始在更高幅度上衰减式震荡。这样反复的逐渐衰减的振荡，经3个多小时的观察由最高的2000mv逐渐衰减到520mv呈正弦波继续震荡。继续加CO又开始均匀的振荡，幅度也上升基本上每加100ppm的CO幅度增加100mv。加了CO400ppm后又加入H2振荡很快就消失，并幅度也下降了，输出呈直线，基本没有振荡，但幅度有少许的增加。元件对一氧化碳确实有很好的选择性，不受乙醇，氢气和烷烃的干扰。

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序号 参数 参 数 值 （Vc=5v RL=51Ω） 1 2 3 4 5 6

VRL(V) 0.25 0.5 RS(Ω) 969 I(mA 4.9 459 9.8 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 4.75 204 119 76.5 51 19.6 29.4 39.2 49 122.5 34 59 22 68.6 12.75 5.7 2.7 93 78.4 88 Ps(mw) 23.3 44.1 78.4 103 118 PRL(mw) 1.23 4.9 P总(mw) 24.5 49 19.6 44 118 103 79 44.1 24 78 122.5 176 240 313 397 442 98 147 196 245 294 343 392 441 466 25

1200100080060040020001234567891011VRL(V)RS(Ω)I(mAPs(mw)PRL(mw)P总(mw) 附录四 工作电压Vc=3v的常温气敏元件的设计

一、Vc=3v RL=12Ω

设计：Vc=3v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=3v的1/6为0.5v,那么元件的压降VRS=3-0.5=2.5v，元件的功耗Ps=100mw 1、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=3-0.5=2.5v，元件的功耗Ps=100mw代入得：

Rs=VRS/Ps=2.52/0.1=62.5Ω

2、求取样电阻RL

取样电阻的压降即VRL=0.5v 流过的电流I=V/R,因为流过元件和取样电阻的电流相等所以I=Is=2.5/62.5=0.04A 代入R=V/I 得：

RL=0.5/0.04=12.5Ω 由于12.5Ω不是标准系列的电阻，不易购买。建议采用E24系列5%或E96 系列1%精度的金属膜电阻。这样按上述系列可以选取12Ω的电阻作为取样电阻。RL=12Ω

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根据上面的计算结果，工作电压Vc=3v的常温气敏元件：清洁空气中元件的阻值Rs= 62.5Ω左右，取样电阻RL=12Ω为最佳的工作条件。其正常工作的个参数如表三所示：

序号 参数 参 数 值 （Vc=3v RL=12Ω） 1 VRL(V) 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 2.75 2 RS(Ω) 132 3 I(mA 21 60 42 36 24 16.8 12 8.6 6 4 2.4 1.1 208 229 104 57 521 630 625 687 62.5 83.3 104 167 182 125 146 188 182 188 255 375 437 167 186 167 141 333 422 500 563 4 Ps(mw) 57 5 PRL(mw) 5.2 104 141 21 47 83.3 130 250 312 6 P总(mw) 62.5 125 188

8007006005004003002001000123456VRL(V)RS(Ω)I(mAPs(mw)PRL(mw)P总(mw)7891011 图 Vc=3v RL=12Ω

二、Vc=3v RL=15Ω

设计：Vc=3v 元件在清洁空气中的输出电压取工作电压Vc=3v的1/6为0.5v,那么元件的压降VRS=3-0.5=2.5v，元件的功耗Ps=100mw

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1、求元件在清洁空气中的阻值Rs

根据P=U2/R 将元件的压降VRS=3-0.5=2.5v，元件的功耗Ps=100mw代入得：

Rs=VRS/Ps=2.5/0.1=62.5Ω

2、求取样电阻RL

取样电阻的压降即VRL=0.5v 流过的电流I=V/R,因为流过元件和取样电阻的电流相等所以I=Is=2.5/62.5=0.04A 代入R=V/I 得：

RL=0.5/0.04=12.5Ω 按理取样电阻应该取12.5Ω，但我们有意将取样电阻取大一点，这里取值 15Ω。即RL= 15Ω.

根据上面的计算结果，工作电压Vc=3v的常温气敏元件：清洁空气中元件的阻值Rs= 62.5Ω左右，取样电阻RL=15Ω为工作条件。其正常工作的个参数如表三所示：

序号 参数 2

参 数 值 （Vc=3v RL=15Ω） 1 2 3 4 5 6

RS(Ω) 165 VRL(V) I(mA) 75 45 0.75 30 1.0 66.7 21 1.25 83.3 15 1.5 100 150 150 300 10.7 1.75 117 146 204 350 7.5 2. 133. 5 2.25 150 3 2.5 1.36 2.75 0.25 0.5 16.7 33.3 50 166.7 183 45.8 Ps(mw) 45.8 83.3 112.5 133.3 146 PRL(mw) 4.17 16.7 37.5 P总(mw) 50 100 150 66.7 200 104 250 133.3 112.5 83.3 266.7 337.5 416.7 504.2 400 450 500 550 28

6005004003002001000参数RS(Ω)VRL(V)I(mA)Ps(mw)PRL(mw)P总(mw) 三、Vc=3v RL=20Ω

序号 参数 RS(Ω) 220 VRL(V) I(mA) 100 参 数 值 （Vc=3v RL=20Ω） 60 0.75 40 1.0 28 1.25 20 1.5 75 14.29 10 1.75 87.5 2. 100 6.67 2.25 4.0 2.5 1.82 2.75 137.5 34.4 1 2 3 4 5 6

0.25 0.5 12.5 25.0 37.5 50.0 62.5 100 112.5 125 84.4 253 337 62.5 Ps(mw) 34.4 62.5 84.4 PRL(mw) 3.13 12.5 28.1 109.4 112.5 109.4 100 112.5 153 263 200 300 50.0 78.1 312.5 378 375 412 P总(mw) 37.5 75.0 112.5 150 187.5 225 29

450400350300250200150100500参数RS(Ω)VRL(V)I(mA)Ps(mw)PRL(mw)P总(mw) 图：工作电压为3v 取样电阻为20Ω的常温元件工作各参数的曲线 四、Vc=3V RL=33Ω(MQ213的工作条件，用于便携式的酒精检测器) 通过计算元件自身的功耗最大才68mw，使用起来是很不方便。刚制作出来的元件还可以用，一旦放置时间长一点就可能不能启动。用于酒精的便携式的检测器更是不能正常工作，功耗太小了，短时间元件就不能稳定。通过RL分别为12、15、20、33Ω的数据比较，其RL在15-20之间是可以用的。

序号 参数 参 数 值 （Vc=3v RL=33Ω） 165 0.5 15.1 38 7.6 45.5 99 0.75 23 51 17 68.2 66 1.0 31 61 30 91 46.2 1.25 38 66.5 47.5 114 33 1.5 45 68 68 136 23.6 1.75 53 66.3 93 159 16.5 11 2. 61 61 121 182 2.25 68.2 51 153 205 6.6 2.5 76 38 189 227 3 2.75 83 21 229 250 1 2 3 4 5 6 RS(Ω) 363 VRL(V) I(mA) 0.25 7.6 Ps(mw) 21. PRL(mw) 2.0 P总(mw) 23 30

400350300RS(Ω)250200150100500VRL(V)I(mA)Ps(mw)PRL(mw)P总(mw)

附录五 炜盛常温元件测试数据分析

一、 配方（2005.1.24） 1、活性二氧化锡的制备：

31

a：SnSO4 SnO2(650℃)

活性SnO2(650℃)

b：10g SnO2+2.5ml PdCl2

2、2g 活性SnO2+0.2g Al2O3+0.02g Sb2O3 浸10%硅溶胶(650℃)1小时 二、抽样检测数据分析 2005.1.24

参数 元件序号 工作电压Vc=6V 取样电阻Rs=51Ω 1 1.08 232 4.64 14.9 15.6 1.32 181 4.73 13.7 1.3 2 0.97 264 4.15 22.7 11.6 1.47 157 4.58 15.8 1.48 3 1.10 227 4.19 22.0 10.3 1.58 143 4.66 14.7 1.59 4 1.04 243 4.07 24.2 10.0 1.55 146 4.62 15.2 1.58 5 1.22 200 4.27 20.7 9.7 1.49 154 4.6 15.5 1.46 6 1.04 243 4.52 16.7 14.5 1.43 163 4.89 11.6 1.47 7 1.15 215 4.49 17.2 12.5 1.60 140 4.91 11.3 1.67 8 1.02 249 4.04 24.7 10.1 1.42 164 4.45 17.8 1.44 9 0.99 258 3.95 26.5 9.7 1.46 159 4.46 17.6 1.48 10 0.97 264 3.98 25.6 10.3 1.42 164 4.48 17.3 1.44 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复 Rs(Ω) 0.2LPG Rs(Ω) 回复

元件序号 11 1.01 12 1.02 13 1.28 14 1.43 15 0.92 16 1.06 17 1.08 18 1.32 19 0.95 20 1.16 V0(v) R0(Ω) 32

0.5CH4 Rs(Ω) 3.27 4.40 1.61 4.81 1.69 4.97 1.75 4.96 1.74 4.90 1.79 4.91 1.79 4.45 1.56 4.78 1.65 3.40 1.35 4.19 1.43 3.94 1.43 4.47 1.48 4.93 1.66 4.98 1.74 4.33 1.48 4.78 1.54 4.06 1.53 4.51 1.64 S=R0/Rs 回复 Rs(Ω) 1.4 0.2LPG 4.14 Rs(Ω) 回复 1.42 2005.1.27配方同前面一样

元件序号 1 1.31 4.38 2 1.27 4.39 1.41 4.60 1.32 3 1.16 4.56 1.90 4.87 1.78 4 1.49 4.71 1.89 4.91 1.81 5 1.36 4.66 1.94 4.91 1.93 6 1.06 4.08 1.38 4.37 1.32 7 1.42 4.42 1.56 4.63 1.49 8 1.55 4.72 1.89 4.95 1.74 9 1.38 4.49 1.80 4.87 1.69 10 1.11 4.27 1.64 4.80 1.56 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复30s 1.75 Rs(Ω) 0.2LPG Rs(Ω) 4.33 回复30s 1.42 2005.1.29配方同前面一样

元件序号 1 0.97 2 0.92 3 1.0 4 0.98 5 1.12 33

6 0.97 7 1.05 8 0.9 9 0.93 10 0.89 V0(v)

R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) 264 4.62 15.2 282 4.28 20.5 13.8 1.25 4.72 1.38 255 4.39 18.7 13.6 1.30 4.79 1.49 261 4.14 22.9 11.4 1.29 4.74 1.5 273 4.4 18.5 12.0 1.32 4.74 1.42 264 4.61 15.4 17.1 1.23 4.92 1.36 240 4.63 15.1 15.9 1.35 4.96 1.54 289 4.25 21 13.8 1.24 4.66 1.35 278 4.09 23.8 11.7 1.28 4.61 1.37 293 4.14 23 12.7 1.26 4.61 1.35 S=R0/Rs 17.4 回复 Rs(Ω) 1.14 0.2LPG 4.88 Rs(Ω) 回复

元件序号 1.23 11 0.83 12 0.98 13 1.29 186 4.97 1.6 17.5 1.60 4.99 1.74 14 1.34 177 5.00 10.2 17 1.61 4.95 1.68 15 0.83 16 1.03 17 0.96 4.18 1.25 4.63 1.35 18 1.27 5.02 1.50 4.96 1.60 19 0.87 4.43 1.23 4.84 1.39 20 1.02 4.16 1.27 4.64 1.36 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) 317.7 261 3.91 27.3 4.36 19.2 13.6 1.26 4.85 1.45 317.7 4.47 17.5 18.2 1.29 4.80 1.48 3.6 1.27 4.30 1.35 S=R0/Rs 11.6 回复 Rs(Ω) 1.23 0.2LPG 4.22 Rs(Ω) 回复

1.31 以上几批元件的实际测试情况来看，元件的初始值还是比较的集中基本都在1v左右，灵敏度也比较好。电压比都在4倍左右，电阻比都在10倍以上，最大的电阻比可达18

34

倍。基本上可以说明元件阻值在最佳的敏感区的范围，其灵敏度都比较高，也比较合理。元件在气氛中输出都在5v以下，阻值Rs在10Ω以上。可以认为二氧化锡气敏材料做的常温元件的初始值在1v，Rs在250Ω左右时比较理想的，也是合理的，也符合二氧化锡材料的特性。可以作为二氧化锡常温气敏元件设计的依据。 2005.2.25生产的214元件记录用新配置的硅溶胶浸渍元件47只

测 试 参 数 值 （VC=6V RL=51Ω） 元件序号 1 1.48 4.93 2 1.08 4.16 1.62 3 1.31 4.63 1.73 4 1.29 4.59 1.87 5 1.11 4.41 1.74 6 1.40 4.41 1.92 7 0.93 4.52 1.80 8 1.32 4.62 1.77 9 1.17 4.41 1.58 10 1.15 4.63 1.79 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复 元件序号 1.96 11 1.43 4.73 1.76 12 1.28 4.40 1.61 13 1.05 4.53 1.63 14 1.42 4.68 1.77 15 2.01 4.94 2.32 16 1.84 4.77 1.93 17 1.63 4.58 1.82 18 1.10 4.43 1.58 19 1.21 4.56 1.59 20 1.89 4.69 1.94 V0(v) Rs(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/R 回复

测 试 参 数 值 （VC=6V RL=51Ω） 元件序号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 35

V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) 1.73 4.60 1.77 4.87 1.91 1.18 4.51 1.56 1.25 4.56 1.59 1.57 4.63 1.74 1.26 4.48 1.57 1.64 4.56 1.83 1.60 4.36 1.54 1.89 4.73 1.95 1.33 4.51 1.80 S=R0/Rs 回复 元件序号 1.83 31 1.3 4.64 1.96 32 1.98 4.71 2.28 33 2.85 4.78 2.84 34 1.57 4.67 2.02 35 1.76 4.91 2.15 36 1.31 4.49 1.87 37 1.36 4.57 1.77 38 1.68 4.80 2.07 39 1.32 4.53 1.84 40 1.09 4.35 1.55 V0(v) Rs(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) 回复

测 试 参 数 值 （VC=6V RL=51Ω） 元件序号 41 1.19 4.67 42 2.72 4.67 2.74 43 1.29 4.46 1.67 44 1.61 4.56 1.98 45 1.54 4.62 1.81 46 1.80 4.96 2.10 47 1.50 4.63 1.80 8 9 10 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复 1.64 从这47只的情况来看元件的输出值不是很理想，有部分元件的输出都大于1.5v（红色数据）估计是浸渍硅溶胶的缘故。还有3只大于2v(蓝色数据)。初始值虽然较高，

36

但响应值还是与初始值在1v左右的差不多。电压比只有2倍左右。因为初始值高意味元件的阻值就低，元件接触检测气体后的电导变化的空间不大了。初始值太高上升的空间受工作电压6v的限制，只能变化80%左右，所以灵敏度不会很好。。 高浓度150000PPM（15%）LPG冲击10min后测试

测 试 参 数 值 （VC=6V RL=51Ω） 元件序号 1 1.09 4.27 2 1.68 4.68 1.90 3 2.32 4.61 2.24 4 2.97 4.78 2.88 5 2.19 4.69 2.08 6 2.25 4.95 2.19 7 1.73 4.42 1.81 8 1.87 4.63 1.81 9 2.20 4.83 2.11 10 1.68 4.51 1.71 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复 元件序号 1.30 11 1.26 4.21 1.39 12 1.53 4.03 1.63 13 2.84 4.67 2.72 14 1.84 4.56 1.75 15 1.16 4.26 1.28 16 2.06 4.66 1.92 17 1.93 4.98 1.99 18 1.69 4.67 1.76 V0(v) Rs(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) 回复 经高浓度冲击后元件的初始值上升，再经测试回复后初始值有所下降，看来元件受高浓度冲击后是可以逐渐恢复的。

MQ214 随 机 检 测 的 数 据 生产中分选的产品V0偏小的 Q100622-1ZZ

V0 30\

1 0.681 3.12

恢复10S

1.524

37

S=Vs/V0 4.581498

2 0.681 2.658 1.263 3.903084 0.681 2.889 1.3935 4.242291 3 0.716 3.333 1.476 4.655028 4 0.717 3.126 1.621 4.359833 5 0.724 3.391 1.823 4.683702 6 0.737 3.645 1.788 4.945726 7 0.742 2.117 1.452 2.8531 8 0.759 2.821 1.343 3.716733 9 0.774 3.468 1.792 4.48062 10 0.777 3.078 1.529 3.96139 11 0.796 3.455 1.44 4.340452 0.749111 3.159333

1.584889 4.221843 12 0.8 3.315 1.772 4.14375 13 0.802 3.212 1.565 4.004988 14 0.802 3.402 1.709 4.241895 15 0.814 2.651 1.391 3.256757 16 0.824 3.363 1.783 4.081311 17 0.861 3.01 1.763 3.495935 18 0.875 2.955 1.586 3.377143 19 0.882 2.786 1.563 3.15873 20 0.895 2.821 1.527 3.151955 0.839444 3.057222

1.628778

3.65694 21 0.907 2.7 1.53 2.976847 22 0.93 2.864 1.663 3.07957 23 0.932 3.497 1.838 3.752146 24 0.938 2.631 1.557 2.804904 25 0.945 3.305 1.786 3.497354 26 0.945 3.195 1.877 3.380952 27 0.951 3.165 1.716 3.328076 28 0.965 2.79 1.642 2.891192 29 0.972 3.404 1.875 3.502058 30 0.978 3.48 1.965 3.558282 31

0.979 3.067 1.791 3.132789 0.949273 3.099818 1.749091 3.264015

生产分选的合格产品V0=1.00—1.80v

Q100119-1ZZ V0 30\

恢复10S

1.106 4.19 2.009 1.203 4.015 1.626 1.214

3.994

2.066

38

S=Vs/V0 3.788427 3.33749 3.289951

1.214 1.233 1.239 1.283 1.287 1.222375 1.309 1.316 1.354 1.354 1.381 1.397 1.351833 1.402 1.433 1.444 1.447 1.46 1.474 1.443333 1.524 1.527 1.545 1.576 1.596 1.642 1.864 1.610571

4.303 4.249 4.298 4.199 4.031 4.159875 4.335 4.405 4.354 4.204 3.946 4.321 4.260833 4.021 4.332 4.222 4.444 4.465 4.419 4.317167 4.425 4.338 4.485 4.514 4.286 4.636 4.645 4.475571 2.089 2.117 2.176 1.785 2.205 2.009125 2.215 1.968 1.91 2.234 2.117 3.153 2.266167 1.864 1.976 2.114 2.538 2.177 2.032 2.116833 2.474 2.129 2.178 2.413 2.32 2.684 2.79 2.426857 3.544481 3.446067 3.468927 3.272798 3.13209 3.410029 3.311688 3.347264 3.215657 3.104874 2.85735 3.093057 3.154982 2.868046 3.023029 2.923823 3.071182 3.058219 2.997965 2.990377 2.903543 2.840864 2.902913 2.864213 2.685464 2.823386 2.491953 2.787477

生产中分选的产品V0偏大的

V0

1.748 1.753 1.707 1.922 1.83 1.792

30\

4.017 4.427 4.43 4.557 4.426 4.3714 恢复10S

2.237 2.536 2.425 2.477 2.309 2.3968

39

S =Vs/V0

2.298055 2.525385 2.595196 2.370968 2.418579 2.441637

V0

3.061 3.05 3.911 3.167 3.304 2.225 2.286 2.891 2.253 2.415 2.905333

30\

4.526 4.783 4.711 4.79 4.576 4.657 4.542 4.521 4.718 4.512 4.647111 恢复10S

3.327 3.529 3.868 3.648 3.399 3.1 2.867 3.442 3.098 3.372 3.364222 S=Vs/V0

1.478602 1.568197 1.204551 1.512472 1.384988 2.093034 1.986877 1.563819 2.094097 1.868323 1.675496

从上面的数据可以看出随着V0的升高，元件对甲烷的输出电压也升高，但元件的电压比Vs/V0逐渐的下降。V0=0.681—0.800一般元件的电压比在4倍左右，V0=0.800-1.00的电压比在3倍以上，V0=1.00—1.800的电压比在3倍左右，V0=1.8以上的电压比在2倍左右。元件V0值的大小直接与元件的工作电压，自身功率以及元件的灵敏度有关。根据计算分析元件自身功耗的最大值是元件的V0为工作电压的1/2即3V时最大。该MQ214用于检测甲烷的，甲烷检测元件的功率要高一些，所以生产分选出的较好的产品都在1.0--1.8V之间。要是一氧化碳的元件就应该选择低一些。液化气的元件也可以低一些。具体是多少合适可以通过实验来决定。根据实际生产的元件V0的具体数据证实了常温元件的设计分析基本是正确。

三、 豪恩退货产品的分析

退货的情况：

初始值V0大于2v的25%，V0很小的10%，断丝的15%、

输出接近6v（5v以上）的元件是短路元件是制作工艺不良造成的。断丝是机械损 伤造成的。V0大是元件在使用和运输过程中非工作状态下吸附空气中的水汽和其他气体造成的。元件在正常工作时可以恢复的。所以在检测时元件仍然具有一定的灵敏度。但在用户实际使用当中由于V0上机就可能出现故障显示而被判为废品。因此生产分选要求元件的初始值尽量的集中一些，可以适当的高一些。尤其是那些使用常温元件做甲烷检测的用户需求的元件可以选择初始值高一点的元件，V0在1.20-1.5VDE范围比较好一些。。 四、 元件的性能分析

40

通过抽样和退货元件的相关数据发现：刚制作出来时的元件性能还是比较好，阻值 分布比较集中，灵敏度也较高，通常V0=1V都能达到4v以上，但从退货检测的情况来看，元件的初始值分散较明显，灵敏度也低一些。元件分散应该是元件在非工作状态时吸附了水汽和某些气体所致。元件初始值升高应该是吸附所致。也就是元件的初始值是虚高，所以反映出元件的灵敏度较新的元件低一些。如果是这样老化一段时间元件可以恢复。

附录六 太原的常温元件

2005.10.26

测 试 参 数 值 （VC=9V RL=100Ω） V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) 1 1.44 525 3.54 2 1.13 696 1.85 12 0.55 1536 0.58 3 1.48 508 4.82 13 0.63 1329 0.64 4 1.57 473 4.84 14 1.15 683 1.83 5 1.42 534 3.57 6 1.60 463 2.64 7 1.31 587 3.54 8 1.14 689 2.79 9 1.49 504 3.00 10 1.20 650 1.86 S=R0/Rs 回复 元件序号 11 0.69 1204 0.72 V0(v) Rs(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) 回复 完全恢复较慢，初期恢复也不够迅速，反应速率一般。 2005.11.1

41

测 试 参 数 值 （VC=9V RL=100Ω） 元件序号 1 1.40 2.43 2 1.12 1.50 1.12 2.31 3 1.22 4.59 1.76 3.15 4 1.30 4.74 1.82 3.24 5 1.34 3.37 1.57 3.06 6 1.50 2.14 1.54 3.36 7 1.17 3.28 1.47 2.57 8 1.03 2.50 1.22 1.96 9 1.41 2.58 1.65 2.77 10 1.14 1.36 1.15 2.50 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复 Rs(Ω) 1.64 0.2LPG 2.88 Rs(Ω) 回复 2005.11.2

测 试 参 数 值 （VC=9V RL=100Ω） 元件序号 1 1.37 2.68 2 1.10 1.47 1.14 3 1.21 4.66 1.65 4 1.35 4.85 1.76 5 1.39 3.45 1.56 42

6 1.40 2.28 1.50 7 1.18 3.26 1.40 8 1.03 2.48 1.17 9 1.45 2.51 1.63 10 1.15 1.42 1.17 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复 V0(v) Rs(Ω) 1.64

0.2LPG 2.84 Rs(Ω) 回复 2.37 3.12 3.35 3.20 3.24 2.64 1.96 2.88 2.55 2005.11.11

测 试 参 数 值 （VC=9V RL=100Ω） 元件序号 1 1.44 2.85 2 1.23 1.65 1.18 2.41 3 1.28 4.83 1.60 3.08 4 1.44 4.99 1.74 3.52 5 1.47 3.70 1.56 3.30 6 1.48 2.48 1.48 3.21 7 1.28 3.19 1.34 2.74 8 1.12 2.64 1.19 2.05 9 1.46 2.57 1.54 2.81 10 1.19 1.55 1.17 2.57 V0(v) R0(Ω) 0.5CH4 Rs(Ω) S=R0/Rs 回复 V0(v) Rs(Ω) 1.59 0.2LPG 2.97 Rs(Ω) 回复 元件对CH4响应均比LPG慢，恢复不是很快。这由于元件的自身温度低不适合甲烷的工作温度，所以较LPG慢。可以适当的降低取样电阻或选取相应初始值高一点的元件检测甲烷气体。从上面元件的数据也能说明这一点，即初始值高一点的元件对甲烷的灵敏度就高一些，初始值低一些的元件度甲烷的灵敏度就低一些。太原厂的元件的初始值范围是1.0-1.60v，但1.2-1.5v的元件相对要好一些。

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附录七、戴维莱气敏元件分析

Vc=6v RL=51Ω Vs=Uc/(RL+Rs) * RL=6/(51+Rs)*RL

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0#: V0=1.2(25℃) V0=1.5v(20℃) V0.65CH4=3.6

则 R0=153Ω

I0=6/204= 29.4mA PH0=29.4*6=176（总）PRL=29.4*1.5=44.1mw

Ps= 29.4*4.5=132mw

通入CH4—0.65%（6500PPM） V0=3.6 R0.65 CH4= 34Ω S=2.4 I0.65 CH4=6/85=70.6 PH=70.6*6=424mW PRL=70.6*3.6=254mw Ps=70.6 *2.4=141mw

通入CH4—1.2%(12000PPM) V0=3.8 Rs=29.5 S=2.5

I=74.5MI PH=74.5*6=447 PRL=74.5*3.8=127mw Ps=70.6 *2.4=122mw

3# V0=1.8v Rs=119 I=35.3 PRL=64mw Ps=148mw PH=212mw

通入CH4—0.65%(6500PPM) Vs=3.9 Rs=27.5Ω S=2.2

I=76.5 PRL=298mw Ps=161mw PH=76.5*6=459mw 通入CH4—1.2%(12000PPM) Vs=4.1 Rs=23.6Ω S=2.28

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I=80 PRL=330mw Ps=152mw PH=76.5*6=482mw 分析：

从表上的数据来看元件的V0在1.2v—1.8v ，元件的初始输出电压都在元件的放大区，但都不在元件的最佳区域内。V0=1.2v的元件也只在最佳的区域边缘。可以看出，V0 =1.2的灵敏度要比V0=1.8的高。0#元件由1.2变道3.6就由倍，1.8v变到3.9也才2.2倍。也就是说元件相同的浓度下，变到3.6已经达到元件的工作电压的60%，其电阻变化由153Ω变到了34Ω，变化快5倍了。而3#元件由1.8v变到3.9v已经接近工作电压的60%以上，元件由119Ω变到27.5Ω已近很低了，但只变化了4.3倍。这说明元件的初始值越高其灵敏度越低。因此元件的初始值应在一个合理的范围也就是元件的工作电压的1/6的左右对应的输出电压，即V0=1v左右。

硅烷偶联剂的使用方法

主要有表面预处理法和直接加入法，前者是用稀释的偶联剂处理填料表面，后者是在树脂和填料预混时 ，加入偶联剂原液。 硅烷偶联剂配成溶液，有利于硅烷偶联剂在材料表面的分散，溶剂是水和醇配制成的溶液，溶液一般为硅烷（20%），醇（72%），水（8%），醇一般为乙醇（对乙氧基硅烷）、甲醇（对甲氧基硅烷）及异丙醇（对不易溶于乙醇、甲醇的硅烷）；因硅烷水解速度与PH值有关，中性最慢，偏酸、偏碱都较快，因此一般需调节溶液的PH值、除氨基硅烷外，其他硅烷可加入少量醋酸，调节PH值至4-5 ，氨基硅烷因具碱性，不必调节。因硅烷水解后，不能久存，最好现配现用，适宜在一小时用完。

下面是一些具体应用，以供用户参考：

（1）、预处理填料法：将填料放入固体搅拌机（高速固体搅拌机HENSHEL（亨舍尔）或V型固体搅拌机等），并将上述硅烷溶液直接喷洒在填料上并搅拌，转速越高，分散效果越好。一般搅拌在10-30分钟（速度越慢，时间越长），填料处理后应在120℃烘干（2小时）。

（2）、硅烷偶联剂水溶液（玻纤表面处理剂）：玻纤表面处理剂常含有：成膜剂、抗静电剂、表面活性剂、偶联剂、水。偶联剂用量一般为玻纤表面处理剂总量的0.3%-2%，将5倍水溶液首先用有机酸或盐将PH调至一定值，在充分搅拌下，加入硅烷直到透明，然后加入其余组份，对于难溶的硅烷，可用异丙醇助溶。在拉丝过程中将玻纤表面处理剂在玻纤上干燥，除去溶剂及水份即可。

（3）、底面法：将5%-20%的硅烷偶联剂的溶液同上面所述，通过涂、刷、喷，浸渍处理基材表面，取出室温晾干24小时，最好在120℃下烘烤15分钟。 （4）、直接加入法：硅烷亦可直接加入“填料/树脂”的混合物中，在树脂及填料混合时，硅烷可直接喷洒在混料中。偶联剂的用量一般为填料量的0.1%-2%，

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（根据填料直径尺寸决定）。然后将加入硅烷的树脂/填料进行模型（挤出、注塑、涂覆等）。

大致的填料直径和使用硅烷的比例如下： 填料尺寸

使用硅烷比例 60目 0.1% ， 100目 0.25% ， 200目 0.5% ， 300目 0.75%， 400目 1.0%， 500目以上 1.5%

常用硅烷醇/水溶液所需PH值： 产品名称

处理时的溶剂 适宜PH值 KH-550

乙醇/水：9.0~10.0

硅烷偶联剂KH550 国内对应牌号 （KH-550） 国外对应牌号

（美国联碳公司A―1100、日本信越KBM-903） 化学名称

γ―氨丙基三乙氧基硅烷 化学结构式

NH2CH2CH2CH2Si(OC2H5)3 产品性质

本品为氨基官能团硅烷,呈碱性。外观为无色或微黄色透明液体,通用性强，可溶于有机溶剂，但丙 酮、四氯化碳不适宜作稀释剂。可溶于水，在水中水解，沸点217℃，密度P25'g/m1 0.946,折光率ND25:1.4205,闪点104℃,分子量221.4 含量≥97%

用途及注意事项

1、本品是一种优良的玻璃纤维处理剂，提高了复合材料的机械强度，电性能和抗老化性能。在玻纤 棉和矿物棉生产中，将其加入到酚醛树脂粘结剂中，可提高防潮性及增加压缩回弹性。本品还可以用于氨基硅油及其乳液的合成。. 2、本品应用于矿物填充的酚 醛、聚酯、环氧、PBT、聚酰胺、碳酸酯等热塑性和热固性树脂，能大幅度提高、增强塑料的干湿态抗弯强度、抗压强度、剪切强度等物理力学性能和湿态电气性 能，并改善填料在聚合物中的润湿性和分散性。 3、本品是优异的粘结促进剂，可用于聚氨酯、环氧、腈类、酚酫胶粘剂和密封材料，可改善颜料的分散性并提高 对玻璃、铝、铁金属的粘合性，也适用于聚

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氨酯、环氧和丙烯酸乳胶涂料。 4、本品在砂轮制造中，有助于改进耐磨自硬砂的酚醛树脂粘结性及耐水性。 5、本 品以室温保存，有效期壹年。

硅烷偶联剂

是由硅氯仿（HSiCl3）和带有反应性基团的不饱和烯烃在铂氯酸催化下加成，再经醇解而得。它在国内有 KH550，KH560，KH570，KH792，DL602，DL171这几种型号。硅烷偶联剂实质上是一类具有有机官能团的硅烷，在其分子中同时具有 能和无机质材料（如玻璃、硅砂、金属等）化学结合的反应基团及与有机质材料（合成树脂等）化学结合的反应基团。

氨基硅烷偶联剂改性水性聚氨酯木器

涂料的研制

目前我国所用的聚氨酯涂料绝大部分为溶剂型，从安全和 环保的角度考虑，溶剂型聚氨酯涂料存在许多不足甚至是危害之处：水性聚氨酯以水为基本介质，具有不燃、气味小、不污染 环境、节能、操作加工方便等优点，因而获得了越来越广泛的应 用。但目前水性聚氨酯木器涂料还存在耐水性、与基材的附着力不够强及硬度与应用性能要求不相适宜等缺点，较大程度 地影响了它的推广应用 。为此，本研究采用氨基硅烷偶联剂改 性聚醚型水性聚氨酯，制得了优异性能的水性聚氨酯木器涂料。该制备方法

l 实验部分

可操作性好，具有很好的推广应用价值：

1 ． 1 主要原材料

聚醚二醇 (N210：Mn=1000 ± 100，羟值为 (1．86～2．14)xl0-3mol/g，南京金陵石油化工厂；甲苯二异氰酸酯(TDI)工业级，上海五联化工厂；2， 2-二羟甲基丙酸 (DMPA) 工业级，湖州长 盛化工有限公司；氨基硅烷偶联剂 (KH- 550) ：工业级，广州科特化工有限公司；三乙胺 (TEA) ： AR ，上海光华化学试剂厂。

1 ． 2 水性聚氨酯木器涂料的配方 1 ． 2 ． 1 预聚体的配方 ( 见表 1)

1 ． 2 ． 2 改性水性聚氯酯木器涂料基本配方 ( 见表 2) 1 ． 3 水性聚氨酯木器涂料的制备工艺 1 ． 3 ． 1 原材料的预处理

分别将 N210和 DMPA 在 120℃ 、 4 kPa 条件下真空脱水 2 h ，然

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后密封保存备用。

1 ， 3 ． 2 预聚体的合成

在带有高速分散机、温度计及高纯氮气保护的密闭反应器 中加入经化学计量的 TDI ；将一定量的 DMPA 和经化学计量的 N 210 的混合物加热到 120 ℃ ，使 DMPA 溶解，冷却后，分批加到 上述反应器中，在 70 ℃ 下搅拌反 4 ． 0 h ，得到聚氨酯预聚体 。

1 ． 3 ． 3 聚氯酯乳液的制备

将少量的三乙胺和氨基硅烷偶联剂混溶于 5 的去离 子水中，缓慢加入上述预聚体高速剪切乳化 30 min ，加人定量的消泡剂，分散均匀后，得到固含量 35 ％左右的氨基硅烷偶联剂扩链的水性聚氨酯乳液

1 ． 3 ． 4 木器涂料的制备

将水、分散剂、防霉剂、消泡剂等混合均匀后，高速分散 10～20 min ；加入上述聚氨酯乳液硬其它助剂，用流平触变剂 调整到适当粘度即可：

1 ． 4 性能测试方法

(1) 红外测定：采用美国 Analect 公司的 RFX - 65 傅立叶红外光谱转换光谱仪进行测定：

(2) 表面水接触角的测量：采用日本 Kyowa 公司生产的 G — 1 型 ε rma 角度计式接触角测定仪进行测试。采用去离子水，将水滴滴于薄膜表面 l min 后进行测试，每个样品取相巨间距 5 mm 的 3 个点进行测量，共 6 次渎数，取算术平均值：

(3) 拉伸强度和断裂伸长率：参照 JC 500 - 92 《聚氨酯防水涂料》，采用广州材料试验机厂 XLL - 50 型拉力试验机进行测试，拉伸速度为 l 00 mm ／ min 。

(4) 固含量：按 GB ／T l725 — 89 进行测试。 (5) 硬度：采用 Lx — A 型橡胶硬度计进行测试 (6) 附着力：按 GB l720 — 79 进行测试： 2 结果与讨论 2 ． 1 红外谱图分析

硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯涂膜的红外光谱见图 l ：

由图 l 可以看出： 3297 cm -1处为 N — H 的伸缩振动峰、 1643 cm -1 处为脲基中 C=O 的伸缩振动峰、 1726 cm -1处为氨酯基中 C=O 的伸缩振动峰、 l103 cm -1处为 C —O— C 的伸缩振动峰，说明聚合产物中有脲键和氨酯键存在；在 1090 cm -1 (Si—O—Si 的弯曲振动峰 ) 和 1 103 cm -1。 (C —O— C 的伸 缩振动峰 ) 附近可以看出吸收峰明显变宽，

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是 Si — O — S ，的弯 曲振动和 C —O— C 的伸缩振动的重叠峰； 1250 cm -1处为 - CH2 -Si 中— CH2 —的弯曲振动峰， 803 cm -1处为 CH2-Si 中的 -CH2 的摆式振动峰，这些都说明聚合物中 存在有机硅。

2 ． 2 硅烷偶联剂用量对涂膜表面水接触角的影响

内乳化型水性聚氨酯，由于在分子链中引入了亲水性基团，因此，成膜物的吸水性往往都很强，这是作为木器涂料最大的缺点之一，采用氨基硅烷偶联剂改性水性聚氨酯的目的 就是希望能提高其耐水性 表 3 中列出了，室温 (25 ℃) 下测得的 KH-550 改性水性聚氨酯涂膜表面的水接触角

从表 3 可以看出，在水性聚氨酯中引入少量的硅烷偶联 剂其水接触角明显增大：硅烷偶联剂的·端与异氰酸酯封端的聚氨酯预聚体分子的主链相接 (-NH 2 与 -NCO 反应 ) ，另 一端的 Si —O 链则伸展到基层表面，从而在硅烷偶联剂改性 的树脂中表现出有机硅的特性。在干燥成膜时，硅烷偶联剂 改性的水性聚氨酯中硅氧烷水解、缩聚，结果在聚合物之间以及聚合物和基材之间形成牢固的互穿网络立体交联结构，从而使漆膜具有优异的憎水性及粘附力 。

2 ． 3 硅烷偶联剂用量对涂膜力学性能的影响

拉伸强度和断裂伸长率是衡量水性聚氨酯涂膜力学性能的重要指标 表 4 为 KH550 用量对改性水性聚氨酯涂膜的拉伸强度、断裂伸长率的影响 从表 4 可以看出，硅烷偶联剂的使用使聚氨酯涂膜的拉伸强度略有增加，断裂伸长率略有下降。这可能是因为随着硅烷偶联剂用量的增加，材料的交联度增大，从而使拉伸强度稍有上升，断裂伸长率略有下 降。

3 改性水性聚氨酯木器涂料的基本配方及性能指标

通过试验，确定了改性爪性聚氨酯木器涂料的最佳基本 配方为： m(N210）) ： m(TDI) ： m(DMPA) ： m(KH550)=60 ： 34 ： 6 ： 1 。其技术性能如表 5 所示：

从表 5 可以看出，本项目研制的硅烷偶联剂改性水性聚氨酯木器涂料具有优良的耐水性、力学性能和附着力，有望在木器涂料领域得到广泛应用：

4 结论

(1) 在无溶剂的条件下，采用扩链的方式制得氨基硅烷 偶联剂改性的水性聚氨酯乳液，通过配以分散剂、防霉剂、消 泡剂等助剂，制成了稳定的水性聚氨酯木器涂料。

(2) 以硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯乳液制得的木器涂料，具有优良

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