二、气敏电阻传感器
气敏电阻传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器，气敏传感器主要用于天然气、煤气等易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。
由于气体种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器的材料不同，可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏电阻传感器。
1.半导体气敏电阻传感器的原理
半导体气敏电阻传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的气敏电阻传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏电阻传感器。
按照半导体变化的物理特征，半导体气敏电阻传感器可分为电阻型和非电阻型两类。前者是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度不同改变的特性来检测气体的浓度或成分；后者是利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。其常用分类如表5-1所示。
表5-1 半导体气敏电阻传感器的分类
金属氧化物在常温下一般是绝缘体，制成半导体后却显示出气敏特性，其机理是比较复杂的。气敏元件接触气体时，由于表面吸附气体，它的电阻率发生明显的变化，这种对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附。在常温下主要是物理吸附，它们之间没有电子交换，不形成化学键。若气敏电阻温度升高，化学吸附效应就增加，并在某一定温度时达到最大值。化学吸附是气体与气敏材料表面建立离子吸附，它们之间有电子的交换，存在化学键。若气敏电阻的温度再升高，由于解吸作用，两种吸附同时减小。例如，用氧化锡（SnO2）制成的气敏电阻，在常温下吸附某种气体后，其电阻率变化不大，表明此时是物理吸附；若保持这种气体浓度不变，该元件的电导率随元件本身温度的升高而增加，尤其在100～300℃间电导率变化很大，表明此温度范围内化学吸附作用大。通常器件工作在空气中，当N型半导体材料遇到离解能较小、易于失去电子的还原性气体（如一氧化碳、氢、甲烷等）后，发生还原反应，电子从气体分子向半导体移动，半导体中的载流子浓度增加，导电性能增强，电阻减小。当P型半导体材料遇到氧化性气体（如氧、三氧化硫等）时，会发生氧化反应，半导体中的载流子浓度减小，导电性能减弱，因而电阻增大。对混合型材料，无论吸附氧化性气体还是还原性气体，都将使载流子浓度减小，电阻增大。
气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。为此，气敏元件在结构上要有加热器，通常用电阻丝加热，如图5-8所示。氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）气敏元件输出电压与温度的关系曲线如图5-9所示。
图5-8 电阻丝加热器
图5-9 气敏元件输出电压与温度的关系曲线
2.半导体气敏电阻传感器结构
（1）烧结型气敏电阻
烧结型气敏电阻是将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是SnO2烧结型气敏元件，用来测量还原性气体。它的加热温度较低，一般在200～300℃，SnO2气敏元件对氢气、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
直热式SnO2气敏电阻如图5-10所示。其元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。
图5-10 直热式SnO2气敏电阻
直热式SnO2气敏电阻制作工艺简单，成本低，功耗小，可以在高电压下使用，可用来制作价格低廉的可燃气体泄漏报警器，但它的热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响，加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接触不良。
旁热式SnO2气敏电阻图如图5-11所示。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。
图5-11 旁热式SnO2气敏电阻
1，3，4，6—测量引脚；2，5—灯丝引脚
旁热式结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容量大，降低了环境气流对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。
（2）薄膜型气敏电阻
采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1μm以下），构成薄膜型气敏电阻，如图5-12所示。
图5-12 薄膜型气敏电阻
氧化锌（ZnO）薄膜型气敏电阻以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。
（3）厚膜型气敏电阻
将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝（Al2O3）基片上，在400～800℃的温度下烧结1～2小时，便制成厚膜型气敏电阻，如图5-13所示。用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。
图5-13 厚膜型气敏电阻
3.烧结型SnO2气敏元件基本测试电路
烧结型SnO2气敏元件基本测试电路如图5-14所示。
图5-14 烧结型SnO2气敏元件基本测试电路
现以图5-14（a）为例，说明其测试原理。 0～10V直流稳压电源供给测试回路电压UH ，0～20V直流稳压电源与气敏元件及负载电阻组成测试回路，负载电阻RL兼作取样电阻。从测量回路可得到
（5-1）
（5-2）
式中 Ic——回路电流；
URL——负载电阻上的压降。
由式（5-2）可见，URL与气敏元件电阻Rs具有对应关系，当Rs降低时，URL增高，反之亦然。因此，测量RL上电压降，即可得气敏器件电阻Rs。图5-14（b）、（c）测试原理与图5-14（a）相同。