半导体气敏元件

利用气敏半导体与可燃气体接触时电阻率变化的性质制成的传感器，又称半导体气敏电阻。

在测量仪表中气敏元件被接入电桥，由电桥输出与被测可燃气体浓度成一定关系的电信号。气敏半导体材料一般为非化学配比的金属氧化物制成的 P型或N型半导体，N型有氧化锡、氧化铟、氧化锰等,P型有氧化钼、氧化镍、氧化钴等。元件的灵敏度因被测气体的不同而异EuE,对乙醚、乙醇、氢以及正乙烷等具有较高灵敏度。一般,空气中只要有0.1%浓度的一氧化碳或天然气就足以提供警报的信号。由于气敏元件是一种新型器件，对它的工作原理存在两种解释。一种解释是,当半导体气敏元件与可燃气体接触时,在它的表面将产生化学反应而放出热量，使元件升温而改变电阻率；另一种解释是被测气体与半导体之间产生载流子交换而引起电阻变化。常采用预热电阻使元件表面升温和掺杂过渡金属化合物的方法来提高灵敏度和扩大测量范围。半导体气敏元件具有一定稳定性，使用时间、环境温度、湿度对性能的影响不大。但它还不能作为一种精确的定量测量仪表，对它的稳定性、精度、复现性等还需进一步研究。根据气敏元件的基本特性，目前已制成各种可燃气体的浓度检测器、探漏报警器，在石油、化工、采矿等工业部门广泛应用。

半导体气敏元件是利用待测气体与半导体 (主要是金属氧化物) 表面接触时产生的电导率等物性的变化来检测气体。半导体气敏器件被加热到稳定状态下, 当气体接触器件表面而被吸附时, 吸附分子首先在表面自由地扩散 (物理吸附), 失去其运动能量, 其间的一部分分子蒸发, 残留分子产生热分解而固定在吸附处 (化学吸附)。这时, 如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力, 则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O和NO2, 称为氧化性气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能, 吸附分子将向器件释放电子, 而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等, 称为还原性气体或电子供给性气体。

当氧化性气体吸附到N 型半导体上, 还原性气体吸附到P 型半导体上时, 将使载流子减少, 而使电阻增大; 相反, 当还原性气体吸附到N 型半导体上, 氧化性气体吸附到P 型半导体上时, 将使载流子增多,使电阻下降。

空气中的氧成分大体上是恒定的, 因而氧的吸附量也是恒定的, 气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中, 器件表面将产生吸附作用,器件的阻值将随气体浓度而变化, 从浓度与阻值的变化关系即可得知被测气体的浓度。

灵敏度特性气敏元件的灵敏度特性,是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标.半导体气敏元件对多种可燃性气体和液体蒸汽都有敏感性能,其灵敏度视气体和液体蒸汽不同而有所不同.器件灵敏度虽各有差异,但它们都遵循共同规律,即器件电阻与检测气体浓度大都具有如下关系: log Rs = m log C + n

温湿度特性：

半导体气敏元件敏感原理是基于敏感体表面的吸附反应,所以易受环境温度、湿度影响，由于气敏器件与环境温湿度有一 定依赖关系,所以在需要较高精度和可靠性的应用中,在电路中要加入温湿度补偿.湿度传感器的昂贵价格限制了湿度补偿的采用， 一般仅作温度补偿即可取得较好效果。

加热特性:

半导体气敏元件需要在加热状态下工作,加热温度影响器件的性能,加热功率变化,元件电阻及灵敏度也相应的有所变化，所以传 感器的工作电源应使用稳压电源。

长期工作稳定性:

半导体气敏元件的敏感层是用非常稳定的金属氧化物制成的，因此它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达3 年以上。

・将气敏元件应用产品在额定工作条件下通电老化一段时间(不少于1小时，最好24小时以上)以使元件阻值充分稳定.

・将应用产品放入试验箱，按体积要求用取样器（可用医用注射器）注入要测试的气体或液体于试验箱内形成标定气样

・调节可变电阻等电路预设机构使应用产品刚好触发（如报警）。

・将测试气体用排气扇从试验箱内排出.

・重复2-4，确认应用产品刚好触发。