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(jī)溶劑蒸汽十分敏感的電子器件，被廣泛應(yīng)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。
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(dǎo)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(dǎo)體，如二氧化錫等。這類金屬氧化物半導(dǎo)體，在一定溫度時，能吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體材料中電子密度減小，電阻增大。當(dāng)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(dǎo)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。
氣敏傳感器電路圖（一）
Figaro公司制造的、以氣敏傳感器TGS800為基礎(chǔ)的模塊AMS800，可以與微處理F6604連接，F(xiàn)6604也是一種四位CMOS微處理器。模塊AMS800和F6604互連的電路圖示于圖。
微處理器F6604有能力將空氣污染的程度區(qū)分為四個等級，并按污染程度相應(yīng)控制空氣清潔器械的工作。根據(jù)房間的大小、靈敏度以及換氣的方式（通風(fēng)或是空氣過濾），設(shè)計了調(diào)整的能力。
氣敏傳感器電路圖（二）
CAPTEUR傳感器和分析器公司生產(chǎn)的氣敏傳感器的加熱元件是典型的高溫度系數(shù)電阻，所以公司建議使用熱驅(qū)動器，它的主要目的是保持傳感器加熱器在恒定電阻條件下工作，實現(xiàn)的途徑是，把加熱器電阻接在惠斯登電橋上，然后它的阻值與基準(zhǔn)電阻器作比較示于圖。
氣敏傳感器電路圖（三）
有害氣體（一氧化碳、氨、硫化氫等），即使在周圍空氣中它們的含量非常低，也對人體有害。如果它們在工作場所出現(xiàn)，將是非常危險的。這就需要應(yīng)用有效的器件監(jiān)測這類氣體的存在，防止它們在空氣中的含量超過一定的濃度。Figaro公司生產(chǎn)的傳感器TGS203用于測量混合氣體中的CO含量。它對混合氣體中的氫氣和酒精蒸汽的靈敏度最低。隨著周圍空氣中CO含量的增加，敏感元件的電阻下降。相對于敏感元件最大靈敏度的最佳工作溫度在100℃左右。
這類傳感器的主要缺點是，濕度對測量結(jié)果有影響，而且在常溫時，它的響應(yīng)時間相對而言長了些。這些不足可以應(yīng)用加熱敏感元件的方法達(dá)到部分的補(bǔ)償，加熱采用間歇的規(guī)范進(jìn)行。加熱時，將敏感元件表面上的水蒸汽和其他次要?dú)怏w清除掉，而測量在較低溫度時進(jìn)行。設(shè)計了一個活性碳的過濾器，為傳感器提供必要的保護(hù)，使它免受氧化氮的影響。
傳感器的間歇加熱規(guī)范，以及要求的工作溫度的形成均由專用集成電路（FIC5401）提供，它是一個4位的微處理器，含有定時器和對信號進(jìn)行預(yù)處理的模擬電路示于圖，從直流電源取得傳感器加熱電流。每了保證傳感器工作在設(shè)定的模式中，電路中只使用了二個外接元件：一是熱敏電阻，在電路中，其功能相當(dāng)于溫度補(bǔ)償用的熱轉(zhuǎn)換器；另一是可變電阻（RLV），它被用來調(diào)整電路工作所要求的電平。
氣敏傳感器電路圖（四）
圖1是采用熱電阻的熱傳導(dǎo)式氣敏傳感器的應(yīng)用電路。熱傳導(dǎo)式氣敏傳感器有的采用由熱敏電阻和熱電阻構(gòu)成的方式。這里介紹的是采用由鉑熱電阻絲構(gòu)成的方式，它用于測量氫氣的濃度，分為0附一20%和0%一100%兩個量程。該種傳感器的原理是，高溫（200一800℃）時，將氣體弓入熱敏傳感器，傳感器的溫度隨氣體熱傳導(dǎo)率之差的變化，作為鉑熱電阻絲等阻值變化被檢測出來。電路中，RA和RB為鉑熱電阻絲，分別作為檢測元件和溫度補(bǔ)償元件。檢測元件按照溫度變化進(jìn)行工作，因此，橋路的電壓要求具有很高的穩(wěn)定性。氫氣與空氣相比，其熱傳導(dǎo)率較大，容易測量，因此，橋路的電壓穩(wěn)定性為0.1%左右即可。電壓基準(zhǔn)元件使用ICL-8069;A1一A3使用μPC451;電流放大器VTl采用2SD235，供給橋路80mA的電流;RP1用于調(diào)整電壓。若用螺釘將晶體管VTl固定在機(jī)殼上，可不用散熱器。
圖1 采用熱電阻的熱傳導(dǎo)式氣敏傳感器的應(yīng)用電路圖
RP2用于調(diào)節(jié)橋路的平衡，空氣中不含有氫氣時，調(diào)節(jié)RP2，便橋路輸出為零。由于橋路輸出含有共模信號，因此，也使用差傘輸入方式。S1力量程切換聯(lián)動開關(guān)，接1時，為100%;接2時，為20%;接3時，接電池;接4吐斷開;A3用干測量范圍調(diào)整;RP3用于范圍校正。
氣敏傳感器電路圖（五）
圖（a）示出了氣敏傳感器TGS203與集成電路FIC5401連接的主電路。其負(fù)載電阻由可變電阻（RLV）和電路內(nèi)設(shè)的定值電阻（1kΩ）構(gòu)成，因此RL=RＬＶ+1kΩ。它是傳感器的工作負(fù)載電阻，RL較大，那么傳感器的靈敏度也較高。當(dāng)允許的CO氣體濃度為100&TImes;１０-6時，RＬＶ選用等于20kΩ的，如果允許的濃度低于100&TImes;１０-６時，RＬＶ選用50kΩ的。更精確的允許CO氣體濃度的設(shè)定都是通過改變RＬＶ進(jìn)行的。
在圖（b）和圖（c）上可以清楚看到，集成在集成電路上的變換直流電源的工作原理。傳感器的二個加熱規(guī)程是通過開關(guān)在加熱過程中順序進(jìn)行的。在測量周期時，SW1和SW2都處于“開”的狀態(tài)，電流從電源VCC1經(jīng)過傳感器和負(fù)載電阻（即RＬＶ+1kΩ）流動。電流量的大小與環(huán)境空氣中的CO氣體濃度成比例。此時，傳感器的輸出信號是負(fù)載電阻兩端的電壓，并從集成電路的13腳輸出。如果這個電壓超出了內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓VREF，那么在報警器A的輸出上產(chǎn)生一個高電平，標(biāo)示已經(jīng)溢出了設(shè)定的允許CO氣體濃度值。將28腳接到GND3（地），這樣，子報警系統(tǒng)（報警器B）的電平為主報警器電平的三分之一。利用38腳輸出作為子報警系統(tǒng)，可以作出早期的預(yù)兆警報，即在低于主報警器的報警濃度時提出警告。這可以用來保護(hù)測量過程，如果需要，可以排除達(dá)到允許CO氣體濃度的地步。
所討論的電路和傳感器TGS203可以用于工作場所的空氣條件監(jiān)測，也可以用于那些需要燃料完全燃燒，和其他對人體有害的CO氣體可能達(dá)到危險濃度的領(lǐng)域。
氣敏傳感器電路圖（六）
陶瓷氣敏傳感器也可以用于分析酒精蒸汽的含量。傳感器與相應(yīng)的電路配合能夠檢測血液中的酒精含量。其工作原理非常簡單，如果血液中含有一定比例的酒精成分，那么它必定會發(fā)散到空氣中來，血液中酒精濃度越高發(fā)散在空氣中的比例也越大。如果用含有一定濃度酒精的空氣噴吹傳感器，傳感器的電阻將發(fā)生與酒精濃度相應(yīng)的變化，這個變化可以用合適的測量電路鑒別。這樣的電路示于圖8-24。使用的氣敏傳感器TGS822是Figaro公司制造的。電路由穩(wěn)壓直流電源+5V供電。傳感器負(fù)載電阻上的輸出電壓反相加載到三個運(yùn)算放大器的輸入端，三者互聯(lián)成比較器。實際上，電阻R1和R2是基準(zhǔn)電壓的發(fā)生器。基準(zhǔn)電壓的上限由可變電阻RP1設(shè)定，而下限則由RP2設(shè)定。
接通電源，并按下復(fù)位電鈕后，觸發(fā)器進(jìn)入邏輯O的狀態(tài)。這時，發(fā)光二極管LED1～LED3不發(fā)光。當(dāng)酒精蒸汽作用在傳感器上時，負(fù)載電阻上的壓降開始變化（逐漸升高）。這些分立的比較器順序工作的結(jié)果導(dǎo)致相應(yīng)的觸發(fā)器開啟，因而與它們相接的LED點亮。如果酒精蒸汽停止對傳感器作用，那么負(fù)載電阻上的電壓將緩慢下降。按動復(fù)位鈕后，恢復(fù)到起始狀態(tài)。為了補(bǔ)償溫度和濕度對傳感器特性的影響，同時為了獲得更高的精度，建議使用熱敏電阻和（或）濕敏傳感器對電路進(jìn)行補(bǔ)償。
門電路簡介
用以實現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路稱為門電路。常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等幾種。
集成電路原理
目前實際應(yīng)用的門電路都是集成電路。在集成電路設(shè)計過程中，將復(fù)雜的邏輯函數(shù)轉(zhuǎn)換為具體的數(shù)字電路時，不管是手工設(shè)計還是EDA工具自動設(shè)計，通常要用到七種基本邏輯（與、或、非、與非、或非、同或、異或）的圖形表示，在電路術(shù)語中這些邏輯操作符號被稱作門，對應(yīng)的具體電路就叫做門電路，包括某個基本邏輯或者多個基本邏輯組合的復(fù)雜邏輯。
比如實現(xiàn)取反功能的反相器，就叫做非門；實現(xiàn)“先與后反”功能的就是與非門，如下圖所示。與非門由兩個N管和兩個P管組成：P管并聯(lián)，一端接電源；N管串聯(lián)，一端接地。根據(jù)CMOS結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的思想，每個N管都會和一個P管組成一對，它們的柵極連在一起，作為與非門的輸入；輸出則在“串-并”結(jié)構(gòu)的中間。當(dāng)輸入端A、B中只要有一個為0時，下面接地的通路斷開，而上面接電源的通路導(dǎo)通，就輸出高電平1；而只有A、B同時為1時，才會使接地的兩個串聯(lián)NMOS管都導(dǎo)通，從而輸出低電平0。而這正是與非門的邏輯：只有兩個輸入都為1時，輸出為0；否則結(jié)果為1。
上述7種基本邏輯對應(yīng)的門即為：與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門、同或門。另外還有一個常用的基本門電路叫傳輸門，可以模擬“開關(guān)”的動作，當(dāng)然也是由MOS-FET組成的，利用了其柵電壓控制MOS管導(dǎo)通的原理；當(dāng)CP為1，A的數(shù)據(jù)可以傳到B端，當(dāng)CP為0時，其內(nèi)部晶體管截止，可以把電路中的通路臨時關(guān)斷。它們的邏輯符號如右圖所示。
門電路幾乎可以組成數(shù)字電路里面任何一種復(fù)雜的功能電路，包括類似于加法、乘法的運(yùn)算電路，或者寄存器等具有存儲功能的電路，以及各種自由的控制邏輯電路，都是由基本的門電路組合而成的。
門電路結(jié)構(gòu)類型
門電路輸出端的電路結(jié)構(gòu)有三種型式：有源負(fù)載推拉式（或互補(bǔ)式）輸出、集電極（或漏極）開路輸出和三態(tài)輸出。
推拉式輸出的門電路一般用于完成邏輯運(yùn)算。集電極開路的門電路（OC門）在實現(xiàn)一定邏輯功能的同時，還能實現(xiàn)電平變換或驅(qū)動較高電壓、較大電流的負(fù)載：可以把兩個門的輸出端直接并聯(lián)，實現(xiàn)邏輯與的功能（稱“線與”聯(lián)接）。三態(tài)輸出門廣泛應(yīng)用于和系統(tǒng)總線的聯(lián)接以及實現(xiàn)信號雙向傳輸?shù)确矫妗?/p>
邏輯門電路原理圖
N個輸入端必須有n個NMOS管串（并）聯(lián)、n個PMOS管并（串）聯(lián)。當(dāng)輸入端的數(shù)目越多，則串聯(lián)的管子也越多。
若串聯(lián)的管子全部導(dǎo)通時，其總的導(dǎo)通電阻會增加，以致影響輸出電平（與非門的低電平升高；或非門的高電平降低）CMOS邏輯門電路的輸入端不宜過多。并且在輸入輸出端增加緩沖電路（CMOS反相器），規(guī)范電路輸入和輸出邏輯電平。
布式二極管：可以通過較大的電流，使輸入引腳上的靜電荷得以釋放，從而保護(hù)了MOS管的柵極絕緣層二極管的反向擊穿電壓約為30V，小于柵極SiO2層的擊穿電壓輸入電壓在正常范圍（0≦vI≦VDD），保護(hù)電路不起作用。
電路在使用前，輸入端使懸空的，只要外界有很小的靜電路，都會在輸入端積累電荷而將柵極擊穿邏輯門電路輸出端也接入靜電保護(hù)二極管，確保輸出不超出正常的工作范圍。
門電路的用途
門電路是一種具有多個輸入端和一個輸出端的開關(guān)電路，當(dāng)輸入信號之間滿足某一特定關(guān)系時，門電路才有信號輸出，否則無信號輸出，如圖12-21所示。門電路的控制信號的通過與通不過，這好像是在滿足一定的條件時才會打開的門一樣，故稱門電路。
最基本的門電路有與門、或門和非門三種，利用各種門電路進(jìn)行一定的組合，可以實現(xiàn)對各種信號的邏輯控制。
門電路的作用
凡是對脈沖通路上的脈沖起著開關(guān)作用的電子線路就叫做門電路，是基本的邏輯電路。門電路可以有一個或多個輸入端，但只有一個輸出端。門電路的各輸入端所加的脈沖信號只有滿足一定的條件時，“門”才打開，即才有脈沖信號輸出。從邏輯學(xué)上講，輸入端滿足一定的條件是“原因”，有信號輸出是“結(jié)果”，門電路的作用是實現(xiàn)某種因果關(guān)系──邏輯關(guān)系。所以門電路是一種邏輯電路。基本的邏輯關(guān)系有三種：與邏輯、或邏輯、非邏輯。與此相對應(yīng)，基本的門電路有與門、或門、非門。
