氣敏電阻器材料基本簡介

科技名詞定義

中文名稱：氣敏電阻器材料

英文名稱：gas sensitive resistor materials

定義：半導(dǎo)體材料表面吸附氣體后自身阻值發(fā)生變化的材料。

應(yīng)用學(xué)科：材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科）；半導(dǎo)體材料（二級學(xué)科）；半導(dǎo)體敏感材料（二級學(xué)科）

在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活中，人們往往會接觸到各種各樣的氣體，需要對它們進(jìn)行檢測和控制，比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制;煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報(bào)警;環(huán)境污染情況的監(jiān)測;煤氣泄漏:火災(zāi)報(bào)警;燃燒情況的檢測與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。

氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。

常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)對鉑絲通以電流，保持300℃~400℃的高溫，此時(shí)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(xué)氣敏傳感器一般利用液體(或固體、有機(jī)凝膠等)電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體 直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛;半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。

N型在檢測時(shí)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(dǎo)體氣敏材料，屬于 N型半導(dǎo)體，在200~300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)?體(如CO等)時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面;氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子， 從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)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(dǎo)體又會自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半 導(dǎo)體氣敏元件檢測可燃?xì)怏w的基本原理。

目前國產(chǎn)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(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi);另一種是旁熱式，這種氣敏元件以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加熱絲，管外側(cè)有兩個(gè)測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。

以SnO2氣敏元件為例，它是由0.1--10um的晶體集合而成，這種晶體是作為N型半導(dǎo)體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時(shí)，電子從氣體分子向半導(dǎo)體遷移，半導(dǎo)體的載流子濃度增加，因此電導(dǎo)率增加。而對于P型半導(dǎo)體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當(dāng)遇到可燃性氣體時(shí)其電導(dǎo)率則減小。

氣敏電阻的溫度特性如圖2.4.1所示，圖中縱坐標(biāo)為靈敏度，即由于電導(dǎo)率的變化所引起在負(fù)載上所得到的值號電壓。由曲線可以看出，SnO2在室溫下雖能吸附氣體，但其電導(dǎo)率變化不大。但當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時(shí)需要加溫。

此外，在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以獲得低溫時(shí)的靈敏度，也可增強(qiáng)對氣體種類的選擇性。

氣敏電阻根據(jù)加熱的方式可分為直熱式和旁熱式兩種，直熱式消耗功率大，穩(wěn)定性較差，故應(yīng)用逐漸減少。旁熱式性能穩(wěn)定，消耗功率小，其結(jié)構(gòu)上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆，因此安全可靠，其應(yīng)用面較廣。