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MQ系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導體，最常用的如SnO2。金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層，導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動（見圖1）。在敏感材料內部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微晶粒的結合部位（晶界）才能形成電流 。由氧吸附產生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還原性氣體發生氧化還原反應而導致其表面濃度降低，勢壘隨之降低（圖2和圖3）。導致傳感器的阻值減小。在給定的工作條件下和適當的氣體濃度范圍內，傳感器的電阻值和還原性氣體濃度之間的關系可近似由下面方程表示：
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