制作补偿元件，对 照例2以In2O3-O. 3%Pd-0. 2%Pt (代表基体是In2O3，无掺杂但添加有Pd和Pt，Pd和Pt前的 百分比代表添加量，添加量以在补偿材料中所占的摩尔百分比计量）为补偿材料制作补偿 元件。
[0024] 实施例1以及对照例1-2制备的三种传感器的敏感元件都采用 In2O3-O. 3%Pd-0. 2%Pt (代表基体是In2O3，无掺杂但添加有Pd和Pt，Pd和Pt前的百分比代 表添加量，添加量以在敏感材料中所占的摩尔百分比计量）作为敏感材料，补偿元件采用 不同的补偿材料。对照例1制备的传感器标记为传感器A，实施例1制备的传感器标记为传 感器B，对照例2制备的传感器标记为传感器C。
[0025] 传感器性能测试 采用WS-02气体传感器性能测试仪(郑州炜盛电子科技有限公司）测量传感器气敏性 能，采用静态配气法配制样品气体，将一定量的目标气体(或液体）与一定体积的洁净空气 混合成不同体积分数的样品气。基本测试电路见图1所示的费斯通（Wheatstone)桥式电 路，通过调节图1中桥路电源电压E调节元件工作温度。图1中E为外加电压，传感器的工 作温度是通过调节外加电压E控制，S是敏感元件，C是补偿元件，阻值分别为馬和R c，札和 私是阻值为2k Ω的固定电阻，RwS总阻值500 Ω的可调电位器，V是Wheatstone电桥的输 出电压值，该类传感器对目标气体的响应输出值(灵敏度）： Vs= Vg - Va； 式中，\为传感器在样品气体中V的输出值，VaS传感器在干净空气中V的输出值。在 空气中通过调节可调电位器W使桥路处于平衡状态，这时电路电压输出为零，所以元件的 电压灵敏度为：vs= vg。
[0026] 由Wheatstone电桥可知，电压输出值可以表示为：
传感器的温、湿度性能测试是将传感器置于恒温恒湿箱中，调节恒温恒湿箱的温度和 湿度，待温湿度恒定后测试传感器的输出电压，并在该条件下保持1小时以上，记录最终的 电压输出。
[0027] 测试结果如下： 1)补偿材料对传感器灵敏度影响 图2为三种不同传感器的电压输出柱状图(在20°C、50%RH条件下)。半导体气体传感器 是通过气体在气敏材料表面的吸附和反应引起材料电阻变化实现对气体的检测，虽然热线 型半导体气体传感器的结构与传统的旁热式传感器结构不同，但他们的基本的气敏机理是 相同的。111 203是典型的η型半导体金属氧化物，In 203的电导受吸附在In 203表面的负氧离 子的浓度（〇2_、〇_等)控制。还原性气体(如H 2J-C4H1。等）与In2O3表面吸附的负氧离子发 生化学反应，引起负氧离子浓度减小，释放出电子，从而使敏感元件材料电导增加，引起图1 所示桥式电路失去平衡，电路产生电压输出，从而达到检测目标气体的目的。同时热线型气 敏元件体积较小，采用了内置加热方式，热效率高，这样达到了降低元件功耗的目的。
[0028] 由图2可以看出，当补偿材料（In2O3-O. 3%Pd-0. 2%Pt)采用与敏感材料（In2O3-O. 3% Pd-o. 2%Pt)完全相同的配比(传感器C)，因为目标气体不仅减小敏感元件电阻，而且减小补 偿元件电阻，两者电阻减小互相抵消，不影响费斯通电桥电压输出，传感器C灵敏度很小。 当采用Al2O3或In 203-5%Ζη-(λ 3%Pd-0· 2%Pt作为补偿材料时，传感器A和B对2000 ppm Y-C4H1。、:L000 ppm H2和5000 ppm 014的灵敏度均大于120 mV，灵敏度远远大于传感器C的 灵敏度。原因在于Al2O3或In 203-5%Zn-0. 3%Pd-0. 2%Pt本身电阻较大，在目标气体中敏感 元件电阻减小，电路分配电压同时减小，补偿元件分配电压相应增加，导致补偿元件温度升 高，而Pt电阻值随温度升高电阻增加，结果是补偿元件电阻增加，传感器表现出高的灵敏 度。
[0029] 同时由图2可见，采用Al2O3或In20 3-5%Zn-0. 3%Pd-0. 2%Pt作为补偿材料时传感器 A和B均有较高灵敏度。然而传感器B的灵敏度较Al2O3为补偿材料的传感器A灵敏度高出 约50 mV。这是因为In2O3经过0. 3%Pd和0. 2%Pt修饰后，贵金属Pd和Pt具有好的催化氧化 还原反应的能力，可燃性目标气体在补偿元件表面发生燃烧，进一步提高了补偿元件温度， 从而提高了补偿元件的电阻值，补偿材料电阻进一步增加，所以In 203-5%Zn-0. 3%Pd-0. 2%Pt 作为补偿材料时较Al2O3作为补偿材料时灵敏度高出约50 mV。
[0030] 2)传感器灵敏度与浓度间关系 图3为以Al2O3为补偿材料时传感器A灵敏度与气体浓度之间的关系图(在20°C、50%RH 条件下)。从图3可以看出，热线型传感器的灵敏度与气体浓度间的关系与传统的旁热式传 感器灵敏度与浓度间关系十分近似。在低浓度范围，随着气体浓度增加元件的灵敏度有较 大提高，在高浓度范围，灵敏度基本达到饱和状态，气体浓度增加，元件灵敏度增加较少。也 就是说低浓度范围(通常小于1000 ppm)灵敏度与浓度线性度较好，这也是半导体气体传感 器常用来检测低浓度气体的原因。
[0031] 由于 H2、CHjPLPG (液化石油气，Y-C4H1。和 C3H8的混合物，Y-C4H1。在 70vol. %左 右)的爆炸下限不同，通常H2XHjP LPG的报警点浓度分别为1000、5000和2000 ppm。图3 中传感器对1000 ppm H2、5000 ppm 014和2000 ppm LPG的电压灵敏度分别为128 mV、150 mV和154 mV，而对100 ppm C2HiqOH的灵敏度只有25 mV，对CO几乎不敏感。可见传感器A 对可燃气体在报警点浓度时的灵敏度均大于100 mV，对可燃气体较有高灵敏度和较好的选 择性。
[0032] 图4为以In203-5%Zn-0. 3%Pd-0. 2%Pt为补偿材料时传感器B灵敏度与气体浓度之 间的关系图（在20°C、50%RH条件下)。从图4可以看出，传感器对2000 ppm LPGU000 ppm 氏和5000 ppm CH4的电压灵敏度分别为204 mV、175 mV和196 mV，而对100 ppm乙醇的灵 敏度也能到达55 mV。传感器B有能力检测和监控低浓度LPG、HjP CH4，也可用于C2H5OH气 体的检测。
[0033] 催化气体传感器也常用来检测可燃气体，而催化气体传感器对可燃气体报警点浓 度时的灵敏度通常小于20 mV，由此可见本发明研制的热线型可燃气体传感器的灵敏度远 远大于催化气体传感器。产生这种差别的原因是催化气体传感器只利用温度对Pt丝电阻 的影响检测可燃气体，而本发明热线型气体传感器不仅利用Pt丝的温度变化，而且利用半 导体材料的特性，从而使元件的灵敏度有了大幅度地提高。
[0034] 3)湿度对传感器灵敏度影响 图5为传感器A和B的电压输出与环境湿度间的关系图(在20°C条件下)。图5中空气 中电压输出是在环境温度20 °C，相对湿度50% RH时调节电位器使传感器信号输出为零。
[0035] 从图5上可以看出，对于Al2O3为补偿元件的传感器A在空气中传感器电压输出值 和对2000 ppm LPG的灵敏度都随着环境湿度增加而增大，特别是湿度大于60% RH时，信号 输出随湿度增加而有较大增加。在20-80% RH范围内灵敏度的相对误差在±15%以内。
[0036] 从图5还可以看出，对In203-5%Zn-0. 3%Pd-0. 2%Pt为补偿元件的传感器B在空气 中传感器电压输出值和对2000 ppm LPG的灵敏度都随着环境湿度增加而缓慢增大。尤其是 传感器B在空气中传感器电压输出值几乎不随湿度变化而变化，有着非常好的稳定性。在 20-80% RH范围内灵敏度的相对误差在±10%以内。
[0037] 由于热线型传感器由敏感元件和补偿元件两部分组成，环境湿度增加时，水蒸汽 不仅使敏感元件电阻减小，同时也使补偿元件的电阻减小，即ARcKO和ARs〈0，ARc和 A Rs对灵敏度的影响被部分抵消，正是由于补偿元件的存在使湿度对传感器输出信号的影 响得到了一定补偿，从而使传感器具有优良的抗湿度干扰的能力。
[0038] A、B两种传感器相比较，传感器B具有更好的抗湿度变化能力。这是因为传感器 B补偿元件采用In203-5%Zn-0. 3%Pd-0. 2%Pt作为补偿材料，补偿材料成分与敏感材料成分 (In2O3-O. 3%Pd-0. 2%Pt)非常相近，补偿材料和敏感材料具有相同的与水分子相互作用能 力，从而有效实现了补偿元件对环境湿度变化的补偿作用，表现出传感器B有更好的湿度 自补偿能力。
[0039] 环境温度和湿度对半导体气体传感器的气敏特性会产生显著影响，这是半导体类 气体传感器中长期