氣敏電阻

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

常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。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。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛;半導體氣敏元件有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金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于 N型半導體，在200~300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當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， 從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半 導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。

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在金屬氧化物半導體管芯內(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)高溫燒結而成。

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型半導體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當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體遷移，半導體的載流子濃度增加，因此電導率增加。而對于P型半導體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當遇到可燃性氣體時其電導率則減小。

氣敏電阻的溫度特性如圖2.4.1所示，圖中縱坐標為靈敏度，即由于電導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，但其電導率變化不大。但當溫度增加后，電導率就發(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。

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，故應用逐漸減少。旁熱式性能穩(wěn)定，消耗功率小，其結構上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆，因此安全可靠，其應用面較廣。

在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活中，人們往往會接觸到各種各樣的氣體，需要對它們進行檢測和控制，比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制;煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警;環(huán)境污染情況的監(jiān)測;煤氣泄漏:火災報警;燃燒情況的檢測與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。

科技名詞定義

中文名稱：氣敏電阻器材料

英文名稱：gas sensitive resistor materials

定義：半導體材料表面吸附氣體后自身阻值發(fā)生變化的材料。

應用學科：材料科學技術（一級學科）；半導體材料（二級學科）；半導體敏感材料（二級學科）