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氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件,它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。

傳感器

常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層),使用時對鉑絲通以電流,保持300℃~400℃的高溫,此時若與可燃性氣體接觸,可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒,因此,鉑絲的溫度會上升,鉑絲的電阻值也上升;通過測量鉑絲的電阻值變化的大小,就知道可燃性氣體的濃度。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體(或固體、有機凝膠等)電解質(zhì),其輸出形式可以是氣體 直接氧化或還原產(chǎn)生的電流,也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動勢。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點,應(yīng)用極其廣泛;半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。

N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減小;P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。像SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料,屬于 N型半導(dǎo)體,在200~300℃溫度它吸附空氣中的氧,形成氧的負離子吸附,使半導(dǎo)體中的電子密度減少,從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃氣 體(如CO等)時,原來吸附的氧脫附,而由可燃氣體以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面;氧脫附放出電子,可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子, 從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加,電阻值下降。可燃性氣體不存在了,金屬氧化物半導(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負離子吸附,使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半 導(dǎo)體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。

氣敏元件

目前國產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式,加熱絲和測量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi);另一種是旁熱式,這種氣敏元件以陶瓷管為基底,管內(nèi)穿加熱絲,管外側(cè)有兩個測量極,測量極之間為金屬氧化物氣敏材料,經(jīng)高溫?zé)�結(jié)而成。

以SnO2氣敏元件為例,它是由0.1——10um的晶體集合而成,這種晶體是作為N型半導(dǎo)體而工作的。在正常情況下,是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時,電子從氣體分子向半導(dǎo)體遷移,半導(dǎo)體的載流子濃度增加,因此電導(dǎo)率增加。而對于P型半導(dǎo)體來說,它的晶格是陽離子缺位狀態(tài),當(dāng)遇到可燃性氣體時其電導(dǎo)率則減小。

氣敏電阻的溫度特性如圖2.4.1所示,圖中縱坐標(biāo)為靈敏度,即由于電導(dǎo)率的變化所引起在負載上所得到的值號電壓。由曲線可以看出,SnO2在室溫下雖能吸附氣體,但其電導(dǎo)率變化不大。但當(dāng)溫度增加后,電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化,因此氣敏元件在使用時需要加溫。

此外,在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以獲得低溫時的靈敏度,也可增強對氣體種類的選擇性。

加熱方式

氣敏電阻根據(jù)加熱的方式可分為直熱式和旁熱式兩種,直熱式消耗功率大,穩(wěn)定性較差,故應(yīng)用逐漸減少。旁熱式性能穩(wěn)定,消耗功率小,其結(jié)構(gòu)上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆,因此安全可靠,其應(yīng)用面較廣。