氣敏元件感測器

原理

教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實驗。由於氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少手段，氣敏感測器發揮著極其重要的作用。例如生活環境中的一氧化碳濃度達0.8～1.15 ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥等狀態，達1.84ml/L時則有在幾分鐘內死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。

利用SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，通過顆粒超微細化和摻雜工藝製備SnO2納米顆粒，並以此為基體摻雜一定催化劑，經適當燒結工藝進行表面修飾，製成旁熱式燒結型CO敏感元件，能夠探測0.005%～0.5%範圍的CO氣體。還有許多易爆可燃氣體、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進行探測的感測器。常用的主要有接觸燃燒式氣體感測器、電化學氣敏感測器和半導體氣敏感測器等。接觸燃燒式氣體感測器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面塗鉑、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。電化學氣敏感測器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產生的電流，也可以是離子作用於離子電極產生的電動勢。半導體氣敏感測器具有靈敏度高、回響快、穩定性好、使用簡單的特點，套用極其廣泛；下面重點介紹半導體氣敏感測器及其氣敏元件。

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，屬於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。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；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內穿加熱絲，管外側有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經高溫燒結而成。

氣敏元件的參數主要有加熱電壓、電流，測量迴路電壓，靈敏度，回響時間，恢復時間，標定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用於天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬於N型半導體元件。靈敏度較高，穩定性較好，回響和恢復時間短，市場上套用廣泛。QM-N5氣敏元件參數如下：標定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓≥2V，回響時間≤10S，恢復時間≤30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測量迴路電壓10V、負載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.5～5.5V、測量迴路電壓5～15V、負載電阻0.5～2.2K。下圖為氣敏元件的簡單測試電路（組成感測器），電壓表指針變化越大，靈敏度越高；只要加一簡單電路可實現報警。常見的氣敏元件還有MQ-31（專用於檢測CO），QM-J1酒敏元件等。

氣敏元件感測器

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