半導(dǎo)體陶瓷是如何應(yīng)用在采礦行業(yè)中的

地球千萬年來的積累，讓地殼中蘊藏了大量具有經(jīng)濟價值且?guī)缀跞魏尾荒苡赊r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原始物質(zhì)。由于這些物質(zhì)基本都是由礦物提供的，因此采礦業(yè)成為了當(dāng)今世界上最重要的產(chǎn)業(yè)之一。對許多國家來說，采礦業(yè)也是推動經(jīng)濟發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)之一。
然而，采礦業(yè)并不是那么美好的行業(yè)，最被人們關(guān)心的就是礦工的安全問題，他們的工作中隨時面臨著大量的危險。有資料顯示，我國目前煤礦事故中1/2以上為瓦斯爆炸事故，爆炸產(chǎn)生的高溫高壓能促使爆炸附近的氣體以極大的速度向外沖擊，造成人員傷亡。因此為了預(yù)防這些災(zāi)害的發(fā)生，能夠檢測氣體濃度及所含成分的半導(dǎo)體陶瓷氣敏傳感器就被派上了用場。

氣敏傳感器的材料及保護原理

半導(dǎo)體陶瓷氣體敏感材料是對環(huán)境氣氛中的某些氧化性氣體、還原性氣體或有機溶劑蒸汽十分敏感，這些氣體在材料表面的吸附和脫附會引起材料電學(xué)性質(zhì)（例如電阻率）的明顯改變，從而達到報警的目的。由于對氣體具有敏感性，所以這類半導(dǎo)體材料得名為半導(dǎo)體氣敏材料，半導(dǎo)體氣敏材料可廣泛應(yīng)用于對可燃性氣體和有毒性氣體的檢測、檢漏、報警和監(jiān)控等領(lǐng)域，由于這類材料大都是半導(dǎo)體陶瓷，所以我們又常常稱其為氣敏陶瓷。
氣敏電阻的材料是金屬氧化物，制作上通過化學(xué)計量比的偏離的雜質(zhì)缺陷制成的。金屬氧化物半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體（如SnO2，F(xiàn)e2O3等）和P型半導(dǎo)體（如COO，PbO）等。為了提高某種氣敏電阻對某些氣體成分的選擇性和靈敏度，合成這些材料時，還摻入催化劑，如鈀（Pd），鉑（Pt）等。
具體的檢測原理
當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體陶瓷表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處時，如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放電子，而形成正離子吸附。如H2、CO、碳氫化合物等，被稱為還原型氣體。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上時，載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。利用這種半導(dǎo)體氣敏傳感器和相應(yīng)的電路即可構(gòu)成礦井瓦斯超限報警電路，可見下圖。

礦井瓦斯超限報警電路

半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器在煤礦中的應(yīng)用
在礦井這種密閉環(huán)境中，一旦發(fā)生一些磕磕碰碰，泄露出來的瓦斯極有可能會對曠工們造成極大的人身安全威脅，半導(dǎo)體氣敏傳感器就是檢測環(huán)境中是否存在危險氣體的一種重要手段。另外氣體傳感器也可以用于井下火災(zāi)檢測，確保礦工在井下工作時不會因發(fā)生火災(zāi)而被困。在煤礦工作中，隨時都有可能發(fā)生陰燃（冒煙火災(zāi)），其特點是二氧化碳和乙烯的釋放，而半導(dǎo)體氣敏傳感器可以很快捷地檢測倒任何冒煙的跡象，提醒工人滅火或撤離該區(qū)域，因此這些傳感器的引入有助于最大限度地減少地下工人因火災(zāi)被困而導(dǎo)致死亡。
目前這類傳感器在大型煤礦生產(chǎn)的檢測過程中已有應(yīng)用，在井下工作面安裝該傳感器后，若環(huán)境瓦斯?jié)舛瘸^1.5%，將會發(fā)出報警信號，若瓦斯?jié)舛瘸^2%，將會自動切斷生產(chǎn)工作面的電源，停止生產(chǎn)后加緊通風(fēng)，即可迅速降低瓦斯?jié)舛龋瑥亩_到防治瓦斯超限的問題。
資料來源：
氣敏傳感器的原理及在預(yù)防煤礦瓦斯爆炸中的作用，楊李根。 轉(zhuǎn)載自：粉體圈