氣敏器件（又稱氣敏傳感器）是一種對環(huán)境氣氛中某些氧化性氣體、還原性氣體、有機(jī)溶劑蒸汽十分敏感的電子器件，被廣泛應(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。

一只完整的氣敏器件是由防爆網(wǎng)、管座、電極、玻璃基體、加熱器和氧化物半導(dǎo)體等幾部分組成的，其結(jié)構(gòu)如圖１所示。

氣敏器件的核心部分是金屬氧化物半導(dǎo)體，如二氧化錫等。這類金屬氧化物半導(dǎo)體，在一定溫度時，能吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體材料中電子密度減小，電阻增大。當(dāng)遇到可燃性氣體或毒氣時，原來吸附的氧就會脫附，而由可燃性氣體或毒氣以正離子狀態(tài)吸附在半導(dǎo)體材料的表面。由于在脫附和吸附過程中均放出電子，使電子密度增大，從而使電阻減小。器件中加熱器的作用是為了提高器件的靈敏度。

氣敏器件的特性曲線如圖２所示。

氣敏傳感器電路圖（一）

Figaro公司制造的、以氣敏傳感器TGS800為基礎(chǔ)的模塊AMS800，可以與微處理F6604連接，F(xiàn)6604也是一種四位CMOS微處理器。模塊AMS800和F6604互連的電路圖示于圖。

微處理器F6604有能力將空氣污染的程度區(qū)分為四個等級，并按污染程度相應(yīng)控制空氣清潔器械的工作。根據(jù)房間的大小、靈敏度以及換氣的方式（通風(fēng)或是空氣過濾），設(shè)計了調(diào)整的能力。

氣敏傳感器電路圖（二）

CAPTEUR傳感器和分析器公司生產(chǎn)的氣敏傳感器的加熱元件是典型的高溫度系數(shù)電阻，所以公司建議使用熱驅(qū)動器，它的主要目的是保持傳感器加熱器在恒定電阻條件下工作，實現(xiàn)的途徑是，把加熱器電阻接在惠斯登電橋上，然后它的阻值與基準(zhǔn)電阻器作比較示于圖。

氣敏傳感器電路圖（三）

有害氣體（一氧化碳、氨、硫化氫等），即使在周圍空氣中它們的含量非常低，也對人體有害。如果它們在工作場所出現(xiàn)，將是非常危險的。這就需要應(yīng)用有效的器件監(jiān)測這類氣體的存在，防止它們在空氣中的含量超過一定的濃度。Figaro公司生產(chǎn)的傳感器TGS203用于測量混合氣體中的CO含量。它對混合氣體中的氫氣和酒精蒸汽的靈敏度最低。隨著周圍空氣中CO含量的增加，敏感元件的電阻下降。相對于敏感元件最大靈敏度的最佳工作溫度在100℃左右。

這類傳感器的主要缺點是，濕度對測量結(jié)果有影響，而且在常溫時，它的響應(yīng)時間相對而言長了些。這些不足可以應(yīng)用加熱敏感元件的方法達(dá)到部分的補(bǔ)償，加熱采用間歇的規(guī)范進(jìn)行。加熱時，將敏感元件表面上的水蒸汽和其他次要?dú)怏w清除掉，而測量在較低溫度時進(jìn)行。設(shè)計了一個活性碳的過濾器，為傳感器提供必要的保護(hù)，使它免受氧化氮的影響。

傳感器的間歇加熱規(guī)范，以及要求的工作溫度的形成均由專用集成電路（FIC5401）提供，它是一個4位的微處理器，含有定時器和對信號進(jìn)行預(yù)處理的模擬電路示于圖，從直流電源取得傳感器加熱電流。每了保證傳感器工作在設(shè)定的模式中，電路中只使用了二個外接元件：一是熱敏電阻，在電路中，其功能相當(dāng)于溫度補(bǔ)償用的熱轉(zhuǎn)換器；另一是可變電阻（RLV），它被用來調(diào)整電路工作所要求的電平。

氣敏傳感器電路圖（四）

圖1是采用熱電阻的熱傳導(dǎo)式氣敏傳感器的應(yīng)用電路。熱傳導(dǎo)式氣敏傳感器有的采用由熱敏電阻和熱電阻構(gòu)成的方式。這里介紹的是采用由鉑熱電阻絲構(gòu)成的方式，它用于測量氫氣的濃度，分為0附一20%和0%一100%兩個量程。該種傳感器的原理是，高溫（200一800℃）時，將氣體弓入熱敏傳感器，傳感器的溫度隨氣體熱傳導(dǎo)率之差的變化，作為鉑熱電阻絲等阻值變化被檢測出來。電路中，RA和RB為鉑熱電阻絲，分別作為檢測元件和溫度補(bǔ)償元件。檢測元件按照溫度變化進(jìn)行工作，因此，橋路的電壓要求具有很高的穩(wěn)定性。氫氣與空氣相比，其熱傳導(dǎo)率較大，容易測量，因此，橋路的電壓穩(wěn)定性為0.1%左右即可。電壓基準(zhǔn)元件使用ICL-8069;A1一A3使用μPC451;電流放大器VTl采用2SD235，供給橋路80mA的電流;RP1用于調(diào)整電壓。若用螺釘將晶體管VTl固定在機(jī)殼上，可不用散熱器。

圖1 采用熱電阻的熱傳導(dǎo)式氣敏傳感器的應(yīng)用電路圖

RP2用于調(diào)節(jié)橋路的平衡，空氣中不含有氫氣時，調(diào)節(jié)RP2，便橋路輸出為零。由于橋路輸出含有共模信號，因此，也使用差傘輸入方式。S1力量程切換聯(lián)動開關(guān)，接1時，為100%;接2時，為20%;接3時，接電池;接4吐斷開;A3用干測量范圍調(diào)整;RP3用于范圍校正。

氣敏傳感器電路圖（五）

圖（a）示出了氣敏傳感器TGS203與集成電路FIC5401連接的主電路。其負(fù)載電阻由可變電阻（RLV）和電路內(nèi)設(shè)的定值電阻（1kΩ）構(gòu)成，因此RL=RＬＶ+1kΩ。它是傳感器的工作負(fù)載電阻，RL較大，那么傳感器的靈敏度也較高。當(dāng)允許的CO氣體濃度為100×１０-6時，RＬＶ選用等于20kΩ的，如果允許的濃度低于100×１０-６時，RＬＶ選用50kΩ的。更精確的允許CO氣體濃度的設(shè)定都是通過改變RＬＶ進(jìn)行的。

在圖（b）和圖（c）上可以清楚看到，集成在集成電路上的變換直流電源的工作原理。傳感器的二個加熱規(guī)程是通過開關(guān)在加熱過程中順序進(jìn)行的。在測量周期時，SW1和SW2都處于“開”的狀態(tài)，電流從電源VCC1經(jīng)過傳感器和負(fù)載電阻（即RＬＶ+1kΩ）流動。電流量的大小與環(huán)境空氣中的CO氣體濃度成比例。此時，傳感器的輸出信號是負(fù)載電阻兩端的電壓，并從集成電路的13腳輸出。如果這個電壓超出了內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓VREF，那么在報警器A的輸出上產(chǎn)生一個高電平，標(biāo)示已經(jīng)溢出了設(shè)定的允許CO氣體濃度值。將28腳接到GND3（地），這樣，子報警系統(tǒng)（報警器B）的電平為主報警器電平的三分之一。利用38腳輸出作為子報警系統(tǒng)，可以作出早期的預(yù)兆警報，即在低于主報警器的報警濃度時提出警告。這可以用來保護(hù)測量過程，如果需要，可以排除達(dá)到允許CO氣體濃度的地步。

所討論的電路和傳感器TGS203可以用于工作場所的空氣條件監(jiān)測，也可以用于那些需要燃料完全燃燒，和其他對人體有害的CO氣體可能達(dá)到危險濃度的領(lǐng)域。

氣敏傳感器電路圖（六）

陶瓷氣敏傳感器也可以用于分析酒精蒸汽的含量。傳感器與相應(yīng)的電路配合能夠檢測血液中的酒精含量。其工作原理非常簡單，如果血液中含有一定比例的酒精成分，那么它必定會發(fā)散到空氣中來，血液中酒精濃度越高發(fā)散在空氣中的比例也越大。如果用含有一定濃度酒精的空氣噴吹傳感器，傳感器的電阻將發(fā)生與酒精濃度相應(yīng)的變化，這個變化可以用合適的測量電路鑒別。這樣的電路示于圖8-24。使用的氣敏傳感器TGS822是Figaro公司制造的。電路由穩(wěn)壓直流電源+5V供電。傳感器負(fù)載電阻上的輸出電壓反相加載到三個運(yùn)算放大器的輸入端，三者互聯(lián)成比較器。實際上，電阻R1和R2是基準(zhǔn)電壓的發(fā)生器?；鶞?zhǔn)電壓的上限由可變電阻RP1設(shè)定，而下限則由RP2設(shè)定。

接通電源，并按下復(fù)位電鈕后，觸發(fā)器進(jìn)入邏輯O的狀態(tài)。這時，發(fā)光二極管LED1～LED3不發(fā)光。當(dāng)酒精蒸汽作用在傳感器上時，負(fù)載電阻上的壓降開始變化（逐漸升高）。這些分立的比較器順序工作的結(jié)果導(dǎo)致相應(yīng)的觸發(fā)器開啟，因而與它們相接的LED點亮。如果酒精蒸汽停止對傳感器作用，那么負(fù)載電阻上的電壓將緩慢下降。按動復(fù)位鈕后，恢復(fù)到起始狀態(tài)。為了補(bǔ)償溫度和濕度對傳感器特性的影響，同時為了獲得更高的精度，建議使用熱敏電阻和（或）濕敏傳感器對電路進(jìn)行補(bǔ)償。