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、有機溶劑蒸汽十分敏感的電子器件，被廣泛應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。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。

　　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體，如二氧化錫等。這類金屬氧化物半導體，在一定溫度時，能吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體材料中電子密度減小，電阻增大。當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。

　　氣敏傳感器的分類：

　　氣敏傳感器的種類較多，主要包括敏感氣體種類的氣敏傳感器、敏感氣體量的真空度氣敏傳感器，以及檢測氣體成分的氣體成分傳感器。前者主要有半導體氣敏傳感器和固體電解質(zhì)氣敏傳感器，后者主要有高頻成分傳感器和光學成分傳感器。由于半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、使用壽命長和成本低等優(yōu)點，所以應用很廣。本節(jié)將著重介紹半導體氣敏傳感器。

　　半導體氣敏傳感器工作原理：

　　半導體氣敏傳感器是利用半導體氣敏元件同氣體接觸后，造成半導體性質(zhì)的變化來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度。

　　半導體氣敏傳感器大體上可以分為電阻式和非電阻式兩類。電阻式半導體氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫（SnQ2）、氧化錳（MnO2）等金屬氧化物制成敏感元件，當它們吸收了可然氣體的煙霧，如氫、一氧化碳、烷、醚、醉、苯以及天然氣等時，會發(fā)生還原反應，放出熱量，使元件溫度相應增高，電阻發(fā)生變化。利用半導體材料的這種特性，將氣體的成分和濃度變換成電信號，進行監(jiān)測和報警。

　　圖4.42所示為典型氣敏元件的阻值一濃度關(guān)系?？梢钥闯?，元件對不同氣體的敏感程度不同，如對乙醚、乙醉、氫氣等具有較高的靈敏度，而對甲烷的靈敏度較低。一般地，隨著氣體的濃度增加，元件阻值明顯增大，在一定范圍內(nèi)，呈線性關(guān)系。

　　聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以獲得準確的反應氣體濃度的變化值。

　　半導體氣敏元件的特性參數(shù)：

　　（1）氣敏元件的電阻值將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件（電阻型）的固有電阻值，表示為Ra。一般其固有電阻值在（103～105）Ω范圍。測定固有電阻值Ra時， 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進行測量。

　?。?）氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。

　　表示方法有三種

　　（a）電阻比靈敏度K

　?。╞）氣體分離度RC1—氣敏元件在濃度為Cc的被測氣體中的阻值：RC2—氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1》C2

　　（c）輸出電壓比靈敏度KVVa：氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；Vg：氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出

　?。?）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；Vg—氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓Vgi—氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓

　　（4）氣敏元件的響應時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63%時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號tr表示。

　　（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200℃以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻（指加熱器的電阻值）稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用PH表示。一般在（0.5～2.0）W范圍。

　?。?）氣敏元件的恢復時間表示在工作溫度下，被測氣體由該元件上解吸的速度，一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時，直到其阻值恢復到在潔凈空氣中阻值的63%時所需時間。

　　應用：

　　氣敏傳感器的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂勠11、R12蘺檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 由于氣體種類繁多， 性質(zhì)各不相同不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體因此能實現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。目前實際使用最多的是半導體氣敏傳感器因此本文主要講述半導體氣敏元件的有關(guān)原理及應用。
? ? ? ? 半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時，產(chǎn)生的電導率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。 按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型，前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導體的電導率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學組成不變，后者半導體與氣體的反應，使半導體內(nèi)部組成發(fā)生變化而使電導率變化。 按照半導體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度廠半導體式氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應，使其某些關(guān)系特性發(fā)生改變無對氣體進行直接或間接的檢測，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。