气敏电阻的结构、原理与特点详解

1）气敏电阻的结构

对于半导体气敏电阻，为了提高对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成金属氧化物时，还掺入催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）等。常见气敏电阻外形如图2.49所示。

图2.49　气敏电阻实物图

气敏电阻在工作时必须加热，加热的主要目的是加速吸收气体的吸附和脱出过程，烧去气敏元件的油垢和污物，起到清洗作用。同时，可以通过控制温度来对被检测的气体进行选择。加热的温度范围一般控制在200～400°C。

按照加热方式，气敏电阻可分为直热式和旁热式两种。

（1）直热式气敏电阻

直热式气敏电阻的结构与符号如图2.50所示。直热式气敏电阻工艺简单，成本低，功耗小，可在高压回路中使用。但其热容量小，易受环境影响，加热回路与测量回路也容易相互影响。

图2.50　直热式气敏电阻的结构与符号

（2）旁热式气敏电阻

旁热式气敏电阻的结构与符号如图2.51所示。其测量极与加热丝分离，避免了测量回路与加热回路的相互影响。旁热式气敏电阻的气敏元件容量大，降低了环境对气敏元件加热温度的影响，稳定性和可靠性均比直热式好。

图2.51　旁热式气敏电阻的结构与符号(www.xing528.com)

2）气敏电阻的工作原理

气体种类繁多，性质各不相同，能实现气-电转换的传感器种类很多，目前实际使用最多的是各种半导体气敏电阻。

金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气敏特性。当气敏元件接触被测气体时，其表面吸附气体，致使电阻率发生明显变化。这种吸附作用分为物理吸附和化学吸附。常温下主要表现为物理吸附，是气体与气敏材料表面上分子的吸附，它们之间不存在电子交换，不形成化学键。若温度升高，气敏电阻和被测气体之间的化学吸附增加，并在某温度时达到最大值。化学吸附是气体与气敏材料表面建立了离子吸附，它们之间存在电子交换，形成化学键力。若气敏电阻的温度继续升高，由于解吸作用，物理与化学吸附同时减小。例如，用氧化锡（SnO2）制成的气敏电阻，常温下吸附某种气体后其电阻率变化不大，表面此时为物理吸附。若保持该气体浓度不变，气敏元件的电阻率会随元件本身温度的升高而降低，尤其在100～300°C时电阻率变化较大，表明在此范围内化学吸附作用大。

氧化锡（SnO2）及氧化锌（ZnO）材料气敏元件的输出电压与温度之间的关系曲线如图2.52所示。

图2.52　气敏电阻输出电压与温度的关系

该类气敏元件通常工作在高温状态（200～450°C），目的是加速被测气体的吸附及脱出过程，同时可烧去气敏元件的油污或污垢物，起到清洗的作用。

3）气敏电阻的特点

以SnO2半导体气敏元件为例，主要具有以下特点：

①气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。

②SnO2材料的物理、化学性质较为稳定，与其他类型气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

③SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间工作。

④元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。

⑤不需要复杂的处理设备，待检测气体浓度通过气敏元件直接转变为电信号，信号处理电路简单。