現(xiàn)代傳感器技術(shù)-8-化學(xué)量傳感器-講課教案

1、現(xiàn)代傳感器技術(shù)現(xiàn)代傳感器技術(shù)面向物聯(lián)網(wǎng)面向物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)應(yīng)用應(yīng)用第三篇第三篇 參量測量參量測量(cling)傳感傳感器器 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器第一頁，共52頁。2021-12-928 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.1 化學(xué)傳感器概述化學(xué)傳感器概述0）相關(guān)概念）相關(guān)概念含義：以化學(xué)物質(zhì)成分含義：以化學(xué)物質(zhì)成分(類別和含量類別和含量)為檢測參數(shù)的為檢測參數(shù)的傳感器傳感器.原理：利用敏感材料與被測物中的分子、離子或生原理：利用敏感材料與被測物中的分子、離子或生物物質(zhì)接觸時引起的電極電勢、表面化學(xué)勢的變化物物質(zhì)接觸時引起的電極電勢、表面化學(xué)勢的變化或發(fā)生的表面化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)，由此直接

2、或間或發(fā)生的表面化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)，由此直接或間接地轉(zhuǎn)換為電信號。接地轉(zhuǎn)換為電信號。特殊性：其機理比物理傳感器的復(fù)雜，特別特殊性：其機理比物理傳感器的復(fù)雜，特別(tbi)是在許多化學(xué)物質(zhì)中選擇性地檢測出某種特定物質(zhì)是在許多化學(xué)物質(zhì)中選擇性地檢測出某種特定物質(zhì)較為困難。較為困難。趨勢：一方面對化學(xué)傳感器的需求越來越大，另一趨勢：一方面對化學(xué)傳感器的需求越來越大，另一方面，信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，加速了化學(xué)傳感技術(shù)的方面，信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，加速了化學(xué)傳感技術(shù)的進(jìn)步，使具有高選擇性、高靈敏度、響應(yīng)速度快、進(jìn)步，使具有高選擇性、高靈敏度、響應(yīng)速度快、測量范圍寬等特點的化學(xué)傳感器得以出現(xiàn)，從而使測量范圍寬等特

3、點的化學(xué)傳感器得以出現(xiàn)，從而使有限的人類的化學(xué)感覺在廣度和深度上得到了更大有限的人類的化學(xué)感覺在廣度和深度上得到了更大延伸。延伸。第二頁，共52頁。2021-12-938 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.1 化學(xué)傳感器概述化學(xué)傳感器概述1）化學(xué)傳感器的構(gòu)成與分類）化學(xué)傳感器的構(gòu)成與分類構(gòu)成及特點：化學(xué)敏感層和物理轉(zhuǎn)換器結(jié)合構(gòu)成化構(gòu)成及特點：化學(xué)敏感層和物理轉(zhuǎn)換器結(jié)合構(gòu)成化學(xué)傳感器學(xué)傳感器敏感層的作用是與目標(biāo)分析物發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)換敏感層的作用是與目標(biāo)分析物發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)換器將上述相互作用轉(zhuǎn)換為電信號。這些轉(zhuǎn)換器通常器將上述相互作用轉(zhuǎn)換為電信號。這些轉(zhuǎn)換器通常是物理量傳感器。是物理量傳感器

4、?；瘜W(xué)傳感器基本組成：如圖所示，被測化學(xué)物質(zhì)先化學(xué)傳感器基本組成：如圖所示，被測化學(xué)物質(zhì)先與敏感膜發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)換器將這種相互作用轉(zhuǎn)與敏感膜發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)換器將這種相互作用轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)檢測電路換為電信號，經(jīng)檢測電路(dinl)調(diào)理后，給出相調(diào)理后，給出相應(yīng)輸出信號。其中，敏感膜直接與測量環(huán)境接觸，應(yīng)輸出信號。其中，敏感膜直接與測量環(huán)境接觸，是影響整個微傳感器性能的關(guān)鍵。是影響整個微傳感器性能的關(guān)鍵。分類：根據(jù)所用的信號轉(zhuǎn)換技術(shù)分為電化學(xué)、光化分類：根據(jù)所用的信號轉(zhuǎn)換技術(shù)分為電化學(xué)、光化學(xué)、質(zhì)量化學(xué)和熱化學(xué)等四種傳感器。學(xué)、質(zhì)量化學(xué)和熱化學(xué)等四種傳感器?；瘜W(xué)傳感器的基本(jbn)組成第三

5、頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.1 化學(xué)傳感器概述化學(xué)傳感器概述2）主要性能評價指標(biāo)）主要性能評價指標(biāo)衡量化學(xué)傳感器的主要指標(biāo)：物質(zhì)選擇性衡量化學(xué)傳感器的主要指標(biāo)：物質(zhì)選擇性(也稱抗也稱抗干擾能力干擾能力)、檢測極限、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等。、檢測極限、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等。不同類型的傳感器特點不同：不同類型的傳感器特點不同：電化學(xué)傳感器選擇性好、檢測極限適中，準(zhǔn)確度滿電化學(xué)傳感器選擇性好、檢測極限適中，準(zhǔn)確度滿足大多場合使用要求，但穩(wěn)定性較差，在醫(yī)療醫(yī)藥足大多場合使用要求，但穩(wěn)定性較差，在醫(yī)療醫(yī)藥等場合很多是一次性使用；等場合很多是一次性使用；光化學(xué)傳感器各方面表現(xiàn)均優(yōu)，但結(jié)構(gòu)復(fù)

6、雜，造價光化學(xué)傳感器各方面表現(xiàn)均優(yōu)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高昂；質(zhì)量化學(xué)傳感器在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)良，但高昂；質(zhì)量化學(xué)傳感器在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)良，但精度較低，選擇性較差；精度較低，選擇性較差；熱化學(xué)傳感器穩(wěn)定性好，精度較低，選擇性因場合熱化學(xué)傳感器穩(wěn)定性好，精度較低，選擇性因場合而定。而定?；瘜W(xué)傳感器往往化學(xué)傳感器往往(wngwng)類比于人類的嗅覺和類比于人類的嗅覺和味覺，因此，化學(xué)傳感器以氣敏傳感器、離子敏傳味覺，因此，化學(xué)傳感器以氣敏傳感器、離子敏傳感器為主。感器為主。2021-12-94第四頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器 8.2 氣體傳感器氣體傳感器 8.2.1 氣體傳感器

7、概述氣體傳感器概述1）背景）背景概念：能感受氣體概念：能感受氣體(組分、分壓組分、分壓)并轉(zhuǎn)換成可用輸出信并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，主要利用物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)等工作。號的傳感器，主要利用物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)等工作。需求：隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提需求：隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對易燃、易爆、有毒、有害氣體的及時、準(zhǔn)確檢高，對易燃、易爆、有毒、有害氣體的及時、準(zhǔn)確檢測要求，已從能源、石化等領(lǐng)域擴展到人們的生活和測要求，已從能源、石化等領(lǐng)域擴展到人們的生活和工作環(huán)境。工作環(huán)境。氣體傳感器主要檢測對象從煤氣、液化石油氣、天然氣體傳感器主要檢測對象從煤氣、液化石油氣、

8、天然氣及礦井中瓦斯氣體等還原性氣體擴大到有毒性氣體氣及礦井中瓦斯氣體等還原性氣體擴大到有毒性氣體（CO、NO2、H2S、NO、NH3、PH3等）和與食品等）和與食品有關(guān)的氣體（魚肉鮮度（有關(guān)的氣體（魚肉鮮度（CH3）3、醋酸乙酯等）、醋酸乙酯等） 范范圍。圍。探測有毒、有害氣體，監(jiān)測大氣污染、工業(yè)廢氣探測有毒、有害氣體，監(jiān)測大氣污染、工業(yè)廢氣(fiq)以及檢測食品和居住環(huán)境質(zhì)量都對氣體傳感器提出了以及檢測食品和居住環(huán)境質(zhì)量都對氣體傳感器提出了更高要求。更高要求。2021-12-95第五頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器 8.2.1 氣體傳感器概述氣體傳感器概述2）氣體傳感器的分

9、類）氣體傳感器的分類按氣敏特性分類：半導(dǎo)體按氣敏特性分類：半導(dǎo)體(電阻型和非電阻型電阻型和非電阻型)、電化學(xué)、電化學(xué)式式(恒電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質(zhì)恒電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質(zhì))、熱傳、熱傳導(dǎo)型導(dǎo)型(接觸燃燒式接觸燃燒式)、光化學(xué)型、光化學(xué)型(光干涉式、紅外線吸收光干涉式、紅外線吸收式式)、聲表面波型、聲表面波型(高分子高分子)、氣體色譜法等。、氣體色譜法等。3）氣體傳感器的選用）氣體傳感器的選用理想的氣體傳感器需具備以下條件：理想的氣體傳感器需具備以下條件： 選擇性檢測某種單一氣體，對其他氣體不響應(yīng)或低響選擇性檢測某種單一氣體，對其他氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)應(yīng). 對被測氣體靈

10、敏度高，能檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度對被測氣體靈敏度高，能檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度. 對檢測信號響應(yīng)快，重復(fù)性好對檢測信號響應(yīng)快，重復(fù)性好. 長期長期(chngq)工作穩(wěn)定性好工作穩(wěn)定性好. 使用壽命長使用壽命長. 成本低，使用維護(hù)方便。成本低，使用維護(hù)方便。2021-12-96第六頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.1 氣體氣體(qt)傳感器概述傳感器概述3）氣體）氣體(qt)傳感器的選用傳感器的選用由于氣體由于氣體(qt)種類繁多，一種類型的氣體種類繁多，一種類型的氣體(qt)傳傳感器只能檢測一種或兩種特定性質(zhì)氣體感器只能檢測一種或兩種特定性質(zhì)氣體(qt)，在氣，在氣體

11、體(qt)檢測系統(tǒng)設(shè)計前決定選用哪種傳感器以滿足檢測系統(tǒng)設(shè)計前決定選用哪種傳感器以滿足條件和特征要求，應(yīng)考慮應(yīng)用環(huán)境條件、干擾氣氛、條件和特征要求，應(yīng)考慮應(yīng)用環(huán)境條件、干擾氣氛、精度和壽命要求、結(jié)構(gòu)尺寸、費用及可靠性要求等，精度和壽命要求、結(jié)構(gòu)尺寸、費用及可靠性要求等，并對各種因素進(jìn)行權(quán)衡研究。并對各種因素進(jìn)行權(quán)衡研究。氣體氣體(qt)傳感器的主要現(xiàn)存問題：傳感器的主要現(xiàn)存問題：元件的穩(wěn)定性差、參數(shù)值分散性大、選擇性差、元件的穩(wěn)定性差、參數(shù)值分散性大、選擇性差、“異常敏化異常敏化”問題產(chǎn)生的誤差、催化劑中毒、使用壽問題產(chǎn)生的誤差、催化劑中毒、使用壽命短，以及命短，以及SnO2和和Fe2O3系列

12、的氣敏元件有時因系列的氣敏元件有時因靈敏度過高導(dǎo)致誤報，但在檢測某些低濃度氣體靈敏度過高導(dǎo)致誤報，但在檢測某些低濃度氣體(qt)時，靈敏度卻難以達(dá)到要求。時，靈敏度卻難以達(dá)到要求。2021-12-97第七頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器1）半導(dǎo)體式氣敏元件原理與分類）半導(dǎo)體式氣敏元件原理與分類原理：利用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物制成的原理：利用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物制成的元件與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起元件與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起以載流子運動為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電以載流子運動為特征的

13、電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化等氣敏特性來實現(xiàn)檢測位變化等氣敏特性來實現(xiàn)檢測(jin c)。分類：根據(jù)氣敏機理不同分為電阻式和非電阻式兩分類：根據(jù)氣敏機理不同分為電阻式和非電阻式兩種。種。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器利用半導(dǎo)體材料因吸附氣電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器利用半導(dǎo)體材料因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化的特性制成。體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化的特性制成。利用半導(dǎo)體表面吸附氣體引起半導(dǎo)體電阻改變的稱利用半導(dǎo)體表面吸附氣體引起半導(dǎo)體電阻改變的稱表面電阻控制型，如表面電阻控制型，如SnO2、ZnO、WO3等；等；利用半導(dǎo)體材料的體電阻因吸附氣體引起半導(dǎo)體電利用半導(dǎo)體材料的體電阻因吸附氣體引起半導(dǎo)體電阻值

14、改變的稱體電阻控制型，如阻值改變的稱體電阻控制型，如Fe2O3，TiO2等氧等氧化物半導(dǎo)體氣體微傳感器?；锇雽?dǎo)體氣體微傳感器。2021-12-98第八頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體半導(dǎo)體式氣體(qt)傳感器傳感器2）典型電阻式氣敏元件）典型電阻式氣敏元件(1) SnO2氣敏元件氣敏元件 以典型以典型N型半導(dǎo)體材料型半導(dǎo)體材料SnO2為基材制備，是目為基材制備，是目前應(yīng)用最廣的一種氣敏元件；檢測對象包括前應(yīng)用最廣的一種氣敏元件；檢測對象包括CH4、C3H8、CO, C2H5OH、H2S等可燃性氣體等可燃性氣體(qt)和和呼出氣體呼出氣體(qt)中的酒

15、精、中的酒精、NO等。等。相對其他氧化物半導(dǎo)體氣敏元件的特點：相對其他氧化物半導(dǎo)體氣敏元件的特點：工作溫度低。其最佳工作溫度在工作溫度低。其最佳工作溫度在300以下，可以下，可節(jié)約能源并延長氣敏元件的使用壽命。節(jié)約能源并延長氣敏元件的使用壽命。在一般檢測范圍內(nèi)在一般檢測范圍內(nèi)(被測氣體被測氣體(qt)體積分?jǐn)?shù)為體積分?jǐn)?shù)為102104 L/L)，其電阻率變化范圍大，輸出信，其電阻率變化范圍大，輸出信號強，無需高倍放大，因而信號處理較方便。號強，無需高倍放大，因而信號處理較方便。2021-12-99第九頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感

16、器(1) SnO2氣敏元件氣敏元件原理：原理：SnO2元件能與空氣中電子親和性大的氣體元件能與空氣中電子親和性大的氣體（O2和和NO2等）反應(yīng)形成吸附氧。這使等）反應(yīng)形成吸附氧。這使N型材料的型材料的表面空間電荷層的傳導(dǎo)電子減少，從而使器件表面空間電荷層的傳導(dǎo)電子減少，從而使器件(qjin)處于高阻狀態(tài)。在與被測氣體（如處于高阻狀態(tài)。在與被測氣體（如H2、CO）接觸時，氣體與吸附氧發(fā)生反應(yīng)，將元件表面被氧接觸時，氣體與吸附氧發(fā)生反應(yīng)，將元件表面被氧束縛的電子釋放，使表面電導(dǎo)增加、器件束縛的電子釋放，使表面電導(dǎo)增加、器件(qjin)電阻減小。電阻減小。性能改善方法：常在性能改善方法：常在SnO2

17、材料中加入添加劑，如材料中加入添加劑，如添加添加2%5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的貴金屬（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的貴金屬（Pt、Pd等）等）可提高其靈敏度，添加微量稀土元素可大大提高其可提高其靈敏度，添加微量稀土元素可大大提高其氣體識別能力，添加適量的氧化銀以及少量四氯化氣體識別能力，添加適量的氧化銀以及少量四氯化錫、酸洗石棉則對乙炔有很好的選擇性，添加少量錫、酸洗石棉則對乙炔有很好的選擇性，添加少量氧化物（如氧化物（如Sb2O3，VO5，MgO等）可改變其熱穩(wěn)等）可改變其熱穩(wěn)定性及響應(yīng)特性。定性及響應(yīng)特性。2021-12-910第十頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)

18、體式氣體傳感器(1) SnO2氣敏元件氣敏元件SnO2元件有燒結(jié)元件有燒結(jié)(shoji)型、厚膜型和薄膜型型、厚膜型和薄膜型3種，種，其中以厚膜型和薄膜型最常見。其中以厚膜型和薄膜型最常見。厚膜型厚膜型SnO2元件是用絲網(wǎng)印刷技元件是用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備而成，其機械強度和一致術(shù)制備而成，其機械強度和一致性都較好，且與厚膜混合集成電路工藝相容，將氣性都較好，且與厚膜混合集成電路工藝相容，將氣敏元件與阻容元件制作在同一基片上，如上圖所示。敏元件與阻容元件制作在同一基片上，如上圖所示。 薄膜型薄膜型SnO2氣敏元件氣敏元件(如下圖所示如下圖所示)的工作溫度的工作溫度較低（約較低（約250 ），有很大的

19、比表面積），有很大的比表面積(表面積與表面積與元件高度的比值元件高度的比值)，自身的活性較高，氣，自身的活性較高，氣敏性很好，催化劑敏性很好，催化劑“中毒中毒”不十分明顯。不十分明顯。2021-12-911第十一頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器(1) SnO2氣敏元件氣敏元件超微粒超微粒(wil)薄膜：薄膜：SnO2微粒微粒(wil)尺寸在尺寸在100 nm以下的薄膜。以下的薄膜。優(yōu)點：超微粒優(yōu)點：超微粒(wil)薄膜有巨大的比表面積和很高薄膜有巨大的比表面積和很高的表面活性，在較低溫度下能與吸附氣體發(fā)生化學(xué)的表面活性，在較低溫

20、度下能與吸附氣體發(fā)生化學(xué)吸附，因而功耗小，靈敏度高。吸附，因而功耗小，靈敏度高。超微粒超微粒(wil)薄膜型薄膜型SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)如圖所示。氣敏元件結(jié)構(gòu)如圖所示。這種元件以硅為基片，與半導(dǎo)體集成電路的制作有這種元件以硅為基片，與半導(dǎo)體集成電路的制作有較好的工藝相容性，可與配套電路制作在同一基片，較好的工藝相容性，可與配套電路制作在同一基片，便于應(yīng)用，且選擇性好，靈敏度高，響應(yīng)恢復(fù)時間便于應(yīng)用，且選擇性好，靈敏度高，響應(yīng)恢復(fù)時間快?？?。2021-12-912第十二頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器(2) ZnO氣敏元件氣敏元件Z

21、nO是是N型半導(dǎo)體，其物理、化學(xué)性能穩(wěn)定。型半導(dǎo)體，其物理、化學(xué)性能穩(wěn)定。ZnO元件的工作溫度較高元件的工作溫度較高(400450)，因此其發(fā)展不，因此其發(fā)展不及及SnO2元件快。元件快。ZnO氣敏元件可分為燒結(jié)型、厚氣敏元件可分為燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型膜型和薄膜型3種。種。一種一種ZnO薄膜酒精敏感元件的結(jié)構(gòu)如下圖。在薄膜酒精敏感元件的結(jié)構(gòu)如下圖。在A12O3基片上先做叉指型金電極，并在基片背面制基片上先做叉指型金電極，并在基片背面制作阻值約作阻值約20的耐高溫薄膜電阻作為加熱器。通常，的耐高溫薄膜電阻作為加熱器。通常，在在ZnO薄膜表面摻雜鑭、錯、釔、鏑和釓等稀土元薄膜表面摻雜鑭、錯、釔、

22、鏑和釓等稀土元素的一種或數(shù)種，以提高靈敏度和選擇性，可獲得素的一種或數(shù)種，以提高靈敏度和選擇性，可獲得對酒精特別敏感，對甲烷、一氧化碳及汽油對酒精特別敏感，對甲烷、一氧化碳及汽油(qyu)等較靈敏的酒精敏感元件。等較靈敏的酒精敏感元件。2021-12-913第十三頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器(2) ZnO氣敏元件氣敏元件多層式多層式ZnO氣敏元件：先在絕緣基片上涂敷或淀積氣敏元件：先在絕緣基片上涂敷或淀積ZnO薄膜，再在薄膜，再在ZnO層上涂敷一層貴金屬作催化劑層上涂敷一層貴金屬作催化劑層，促進(jìn)對氣體的吸附，提高氣敏性和選擇

23、性。層，促進(jìn)對氣體的吸附，提高氣敏性和選擇性。下圖為鉑銥復(fù)合型下圖為鉑銥復(fù)合型ZnO氣敏元件結(jié)構(gòu)圖。以鉑銥合氣敏元件結(jié)構(gòu)圖。以鉑銥合金為基片，用印刷制膜法在正面金為基片，用印刷制膜法在正面(zhngmin)制作制作RuO2電極電極A、B和和ZnO層，在背面制作層，在背面制作RuO2電極電極C，在乙醇?xì)夥罩袦y，在乙醇?xì)夥罩袦yA與與B間的電阻變化，同時還可間的電阻變化，同時還可用用A或或B與電極與電極C測元件與溫度的關(guān)系。測元件與溫度的關(guān)系。鉑銥促進(jìn)對氧和乙醇的吸附，鉑銥促進(jìn)對氧和乙醇的吸附，RuO2促進(jìn)乙醇的氧促進(jìn)乙醇的氧化作用，因而這種傳感器對乙醇的靈敏度較高?；饔茫蚨@種傳感器對乙醇的靈

24、敏度較高。將將SnO2摻雜到摻雜到ZnO中，充分利用各自優(yōu)中，充分利用各自優(yōu)勢，較好地改善氣敏性能。研究表明，勢，較好地改善氣敏性能。研究表明，SnO2和和ZnO形成的復(fù)合氧化物在靈敏度、形成的復(fù)合氧化物在靈敏度、選擇性及工作溫度等方面有突出優(yōu)勢。選擇性及工作溫度等方面有突出優(yōu)勢。2021-12-914第十四頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器3) 非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件種類：非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件有種類：非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件有MOS二極管式、二極管式、結(jié)型二極管式和場效應(yīng)管式（結(jié)型二極管式和場效應(yīng)管式（MO

25、SFET）等。）等。應(yīng)用：其電流或電壓應(yīng)用：其電流或電壓(diny)隨氣體含量而變化，隨氣體含量而變化，主要檢測氫和硅烷氣等可燃性氣體。主要檢測氫和硅烷氣等可燃性氣體。工作原理：工作原理：MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機化合物（性有機化合物（VOC）與催化金屬接觸發(fā)生反應(yīng)，）與催化金屬接觸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物擴散到反應(yīng)產(chǎn)物擴散到MOSFET的柵極，改變了元件的的柵極，改變了元件的性能。性能。通過分析元件性能的變化識別通過分析元件性能的變化識別VOC；通過改變催；通過改變催化金屬的種類和膜厚優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改化金屬的種類和膜厚優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工

26、作溫度。變工作溫度。優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復(fù)雜，成本高。工藝比較復(fù)雜，成本高。2021-12-915第十五頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器原理：電化學(xué)式氣體傳感器利用電化學(xué)原理將感受原理：電化學(xué)式氣體傳感器利用電化學(xué)原理將感受的氣體轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的氣體轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(xnho)。分類：按電解質(zhì)的不同可分為液體電解質(zhì)和固體電分類：按電解質(zhì)的不同可分為液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電流型和電位型。解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電流型和電位型。1）電流型液

27、體電解質(zhì)氣體傳感器）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器電流型氣體傳感器：以電化學(xué)電池中工作電極與對電流型氣體傳感器：以電化學(xué)電池中工作電極與對比電極之間響應(yīng)電流為檢測信號比電極之間響應(yīng)電流為檢測信號(xnho)的氣體傳的氣體傳感器。它將氣體與電解質(zhì)溶液反應(yīng)而產(chǎn)生的電解電感器。它將氣體與電解質(zhì)溶液反應(yīng)而產(chǎn)生的電解電流作為傳感器輸出。流作為傳感器輸出。(1) 原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器被檢測氣體在原電池中能產(chǎn)生自發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的氣被檢測氣體在原電池中能產(chǎn)生自發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的氣體傳感器稱為體傳感器稱為“伽伐尼電池型伽伐尼電池型”氣體傳感器。它通過氣體傳感器。它通過檢測電流來

28、檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。檢測電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。2021-12-916第十六頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器1）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器(1) 原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器 氧氣傳感器廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)、農(nóng)氧氣傳感器廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)業(yè)(nngy)、養(yǎng)殖業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等需要監(jiān)測或監(jiān)控、養(yǎng)殖業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等需要監(jiān)測或監(jiān)控氧濃度的領(lǐng)域。氧濃度的領(lǐng)域。英國英國Alphasense公司的公司的O2-A2型氧傳感器屬于隔膜型氧傳感器屬于隔膜(galvan

29、ic)電池型氧氣傳感器。如圖所示，其工作原理：氧透電池型氧氣傳感器。如圖所示，其工作原理：氧透過隔膜后溶解在隔膜與陰極間的薄層電解液中，當(dāng)過隔膜后溶解在隔膜與陰極間的薄層電解液中，當(dāng)氧達(dá)到陰極表面時被還原，外電路有負(fù)載時，電流氧達(dá)到陰極表面時被還原，外電路有負(fù)載時，電流與與氧體積分?jǐn)?shù)成正比，測得電壓或電流可氧體積分?jǐn)?shù)成正比，測得電壓或電流可求得氧體積分?jǐn)?shù)。求得氧體積分?jǐn)?shù)。優(yōu)點：不需要外電源，結(jié)構(gòu)簡單，不需優(yōu)點：不需要外電源，結(jié)構(gòu)簡單，不需熱源，工作電流小，是較理想的小型氧熱源，工作電流小，是較理想的小型氧氣傳感器。氣傳感器。2021-12-917第十七頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感

30、器傳感器8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器1）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器(2) 可控電位電解式氣體傳感器可控電位電解式氣體傳感器 可控電位電解式氣體傳感器通過測電解時流過可控電位電解式氣體傳感器通過測電解時流過的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。和原電池型氣體傳感器的不同：它需要和原電池型氣體傳感器的不同：它需要(xyo)外外加特定電壓，在保持電極和電解質(zhì)溶液的界面為某加特定電壓，在保持電極和電解質(zhì)溶液的界面為某恒電位時，將氣體直接氧化或還原，并將流過外電恒電位時，將氣體直接氧化或還原，并將流過外電路的電流作為傳感器輸出。路的電流作

31、為傳感器輸出。該傳感器除了能檢測該傳感器除了能檢測CO、NO、NO2、O2、SO2等等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。氣體外，還能檢測血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。Alphasense公司的公司的NO2-A1型型NO2傳感器屬于此類傳感器屬于此類型。型。2021-12-918第十八頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器2）電位型液體電解質(zhì)氣體傳感器）電位型液體電解質(zhì)氣體傳感器檢測信號為電化學(xué)電池中工作電極電位變化的氣體檢測信號為電化學(xué)電池中工作電極電位變化的氣體傳感器傳感器原理：將溶解于電解質(zhì)溶液并離子化的氣態(tài)物質(zhì)的原理：將溶解于電解質(zhì)溶液

32、并離子化的氣態(tài)物質(zhì)的離子作離子作用于離子電極，把產(chǎn)生的電動勢作為傳感器輸出，用于離子電極，把產(chǎn)生的電動勢作為傳感器輸出，從而利從而利用電極電勢和氣體體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系實現(xiàn)氣體測用電極電勢和氣體體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系實現(xiàn)氣體測量。量。 濃差電池式氣體傳感器主要利用兩個電極之間濃差電池式氣體傳感器主要利用兩個電極之間的化學(xué)的化學(xué)電位差，一個在氣體中測量氣體體積分?jǐn)?shù)；另一個電位差，一個在氣體中測量氣體體積分?jǐn)?shù)；另一個是固定是固定的參比電極。的參比電極。工作原理：氣敏材料吸收氣體時形成工作原理：氣敏材料吸收氣體時形成(xngchng)濃濃差電池，測量輸出差電池，測量輸出的電動勢就可測出氣體體積分?jǐn)?shù)。的電動

33、勢就可測出氣體體積分?jǐn)?shù)。目前的氣敏材料主要有聚乙烯醇目前的氣敏材料主要有聚乙烯醇磷酸等材料。磷酸等材料。第十九頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器3）固體電解質(zhì)型氣體傳感器）固體電解質(zhì)型氣體傳感器指檢測電池指檢測電池(dinch)電解質(zhì)為高溫固體電解質(zhì)、快電解質(zhì)為高溫固體電解質(zhì)、快離子導(dǎo)體或高聚物電解質(zhì)的氣體傳感器。離子導(dǎo)體或高聚物電解質(zhì)的氣體傳感器。原理：通常采用極限電流型原理，利用氣體通過薄原理：通常采用極限電流型原理，利用氣體通過薄層透氣膜或毛細(xì)孔擴散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的層透氣膜或毛細(xì)孔擴散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳輸條件

34、，產(chǎn)生正比于氣體體積分?jǐn)?shù)或分壓的極限傳輸條件，產(chǎn)生正比于氣體體積分?jǐn)?shù)或分壓的極限擴散電流。擴散電流。優(yōu)點：電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好。優(yōu)點：電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好。應(yīng)用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，其應(yīng)應(yīng)用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。用范圍僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。2021-12-920第二十頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器3）固體電解質(zhì)型氣體傳感器）固體電解質(zhì)型氣體傳感器近來，國外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)型氣體傳感器分近來，國外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)型氣體傳感器分

35、為為3類類:材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子相同的傳感器，如氧氣傳感器。動離子相同的傳感器，如氧氣傳感器。材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子不相同的傳感器，如用于測量氧氣的由固體動離子不相同的傳感器，如用于測量氧氣的由固體電解質(zhì)電解質(zhì)SrF2H和和Pt電極電極(dinj)組成的氣體傳感器。組成的氣體傳感器。材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器，動離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器，如新開

36、發(fā)的高質(zhì)量如新開發(fā)的高質(zhì)量CO2固體電解質(zhì)氣體傳感器，是固體電解質(zhì)氣體傳感器，是由固體電解質(zhì)由固體電解質(zhì)NaSiCON（Na3Zr2Si2PO12）和輔）和輔助電極助電極(dinj)材料材料Na2CO3-BaCO3或或Li2CO3-CaCO3、Li2CO3-BaCO3組成的。組成的。2021-12-921第二十一頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.4 熱化學(xué)氣體傳感器熱化學(xué)氣體傳感器熱化學(xué)氣體傳感器主要有接觸燃燒式氣體傳感器、熱化學(xué)氣體傳感器主要有接觸燃燒式氣體傳感器、熱導(dǎo)式氣體傳感器等。熱導(dǎo)式氣體傳感器等。1）接觸燃燒式氣體傳感器）接觸燃燒式氣體傳感器這類傳感器基于強催

37、化劑使可燃性氣體在其表面燃這類傳感器基于強催化劑使可燃性氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致敏感元件溫度上升，使得貴金燒時產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致敏感元件溫度上升，使得貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理。屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理。與半導(dǎo)體傳感器的不同：它幾乎不受周圍環(huán)境濕度與半導(dǎo)體傳感器的不同：它幾乎不受周圍環(huán)境濕度影響。影響。分類：直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式分類：直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，有時稱為熱導(dǎo)性這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，有時稱為熱導(dǎo)性傳感器，適用傳感器，適用(shyng)于石化工廠、礦井、隧道和于石化工廠、礦井、隧道和浴室、廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。在環(huán)境溫

38、浴室、廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測。燃性氣體進(jìn)行檢測。2021-12-922第二十二頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.4 熱化學(xué)氣體傳感器熱化學(xué)氣體傳感器2）熱導(dǎo)式氣體傳感器）熱導(dǎo)式氣體傳感器原理：基于氣體不同，其熱傳導(dǎo)率也不同的原理。原理：基于氣體不同，其熱傳導(dǎo)率也不同的原理。熱導(dǎo)式氣體傳感器是利用被測組分和參考?xì)獾臒釋?dǎo)熱導(dǎo)式氣體傳感器是利用被測組分和參考?xì)獾臒釋?dǎo)系數(shù)不同而響應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)型檢測器，有的也稱為系數(shù)不同而響應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)型檢測器，有的也稱為熱絲檢

39、測器或熱導(dǎo)計，它是知名的整體性能檢測器，熱絲檢測器或熱導(dǎo)計，它是知名的整體性能檢測器，屬于物理常數(shù)屬于物理常數(shù)(chngsh)檢測器。檢測器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，定量準(zhǔn)確，價格低廉，優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，定量準(zhǔn)確，價格低廉，經(jīng)久耐用，屬于非破壞性檢測器。經(jīng)久耐用，屬于非破壞性檢測器。熱敏元件是熱導(dǎo)式氣體傳感器的感應(yīng)元件，熱敏元件是熱導(dǎo)式氣體傳感器的感應(yīng)元件，其阻值隨溫度而變。它選用其阻值隨溫度而變。它選用5%的錸的錸鎢絲做鎢絲做熱敏元件。其電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、熱敏元件。其電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、強度好、耐氧化、耐腐蝕。熱導(dǎo)式氣體傳感強度好、耐氧化、耐腐蝕。熱導(dǎo)式氣體傳感器的結(jié)

40、構(gòu)如圖所示。器的結(jié)構(gòu)如圖所示。2021-12-923第二十三頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.5 其他氣體傳感器其他氣體傳感器1）光學(xué)式氣體傳感器）光學(xué)式氣體傳感器光學(xué)式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、光學(xué)式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學(xué)材料型等，以紅外吸收型氣體分熒光型、光纖化學(xué)材料型等，以紅外吸收型氣體分析儀為主。析儀為主。紅外吸收型氣體分析儀原理：由于不同氣體的紅外紅外吸收型氣體分析儀原理：由于不同氣體的紅外吸收峰值不同，可通過測量和分析紅外吸收峰來檢吸收峰值不同，可通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。測氣體。種類：目前新研制開發(fā)的有

41、流體切換式、流程直接種類：目前新研制開發(fā)的有流體切換式、流程直接測定式和傅里葉變換式在線紅外分析儀。測定式和傅里葉變換式在線紅外分析儀。優(yōu)點：高抗振能力優(yōu)點：高抗振能力(nngl)和抗污染能力和抗污染能力(nngl)，與計算機相結(jié)合，能連續(xù)測試、分析氣體，有自動與計算機相結(jié)合，能連續(xù)測試、分析氣體，有自動校正、自動運行功能。校正、自動運行功能。光學(xué)式氣體傳感器還包括化學(xué)發(fā)光式、光纖熒光式光學(xué)式氣體傳感器還包括化學(xué)發(fā)光式、光纖熒光式和光纖波導(dǎo)式。和光纖波導(dǎo)式。優(yōu)點：靈敏度高、可靠性好優(yōu)點：靈敏度高、可靠性好2021-12-924第二十四頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.5

42、 其他氣體傳感器其他氣體傳感器2）聲面波）聲面波(SAW)式氣體傳感器式氣體傳感器原理：在壓電材料的襯底上分別制作輸入和輸出換原理：在壓電材料的襯底上分別制作輸入和輸出換能器，在兩者之間涂覆能吸附能器，在兩者之間涂覆能吸附VOC的敏感膜。吸的敏感膜。吸附氣體使傳感器質(zhì)量增加，使附氣體使傳感器質(zhì)量增加，使SAW的傳播速度或的傳播速度或頻率變化，通過測頻率變化，通過測SAW的頻率變化來測量氣體體的頻率變化來測量氣體體積分?jǐn)?shù)。積分?jǐn)?shù)。主要氣敏材料及用途：聚異丁烯、氟聚多元醇等，主要氣敏材料及用途：聚異丁烯、氟聚多元醇等，用來測量苯乙烯和甲苯等有機蒸汽。用來測量苯乙烯和甲苯等有機蒸汽。優(yōu)點：選擇性高，

43、靈敏度高，在很寬的溫度范圍內(nèi)優(yōu)點：選擇性高，靈敏度高，在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，對濕度響應(yīng)低和良好的可重復(fù)性。穩(wěn)定，對濕度響應(yīng)低和良好的可重復(fù)性。 SAW傳感器輸出頻率信號傳感器輸出頻率信號(xnho)，當(dāng)外界待測量，當(dāng)外界待測量變化時，引起振蕩頻率變化，易于將敏感器與相配變化時，引起振蕩頻率變化，易于將敏感器與相配的電子器件結(jié)合在一起，以實現(xiàn)微型化、集成化。的電子器件結(jié)合在一起，以實現(xiàn)微型化、集成化。2021-12-925第二十五頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.2.5 其他其他(qt)氣體傳感器氣體傳感器3）石英振子式氣體傳感器）石英振子式氣體傳感器原理：石英振子微天平（

44、原理：石英振子微天平（quartz crystal microbalance，QCM）由直徑為數(shù)微米的石英振）由直徑為數(shù)微米的石英振動盤和制作在盤兩邊的電極構(gòu)成。當(dāng)振蕩信號加在動盤和制作在盤兩邊的電極構(gòu)成。當(dāng)振蕩信號加在器件上時，器件會在它的特征頻率（器件上時，器件會在它的特征頻率（30 MHz）發(fā)）發(fā)生共振。振動盤上淀積了有機聚合物，聚合物吸附生共振。振動盤上淀積了有機聚合物，聚合物吸附氣體后，使器件質(zhì)量增加，從而引起石英振子的共氣體后，使器件質(zhì)量增加，從而引起石英振子的共振頻率降低，可通過測定共振頻率的變化來識別氣振頻率降低，可通過測定共振頻率的變化來識別氣體。體。優(yōu)點：對特定氣體分子的靈

45、敏度高、選擇性好；結(jié)優(yōu)點：對特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好；結(jié)構(gòu)簡單，可在常溫下使用，補充了其他構(gòu)簡單，可在常溫下使用，補充了其他(qt)氣體氣體傳感器的不足。傳感器的不足。2021-12-926第二十六頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器 8.3 濕度傳感器濕度傳感器8.3.1 概述概述濕度表示空氣中水蒸氣含量，也即大氣干濕程度；常濕度表示空氣中水蒸氣含量，也即大氣干濕程度；常用絕對濕度、相對濕度、露點來表示。用絕對濕度、相對濕度、露點來表示。絕對濕度：指一定溫度與壓力條件下的單位體積空氣絕對濕度：指一定溫度與壓力條件下的單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量。中所含水蒸氣的質(zhì)量。H

46、A=mV/V相對濕度：指空氣中所含水蒸氣密度相對濕度：指空氣中所含水蒸氣密度(md)（即絕對（即絕對濕度）與同溫度下飽和水蒸氣密度濕度）與同溫度下飽和水蒸氣密度(md)的百分比值。的百分比值。HR=(HA/HW)x100%兩種方式的差異：絕對濕度給出了水分在空間的具體兩種方式的差異：絕對濕度給出了水分在空間的具體含量，相對濕度給出了大氣的潮濕程度。含量，相對濕度給出了大氣的潮濕程度。露點：保持壓力一定時，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)露點：保持壓力一定時，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到某溫度時，水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變降到某溫度時，水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，即結(jié)露，此時的溫度稱為

47、露點，單位為為液態(tài)，即結(jié)露，此時的溫度稱為露點，單位為。2021-12-927第二十七頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器 8.3.1 概述概述濕度傳感器：利用濕敏材料因水吸附而改變電特性，濕度傳感器：利用濕敏材料因水吸附而改變電特性，把濕度轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。把濕度轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。組成：濕敏元件組成：濕敏元件+轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路。分類分類 ：按輸出的電量分為電阻式、電容式、頻率式等；：按輸出的電量分為電阻式、電容式、頻率式等；按探測功能分為相對濕度、絕對濕度按探測功能分為相對濕度、絕對濕度(judu shd)、露點等；按所用材料分為陶瓷、有機高分、露點等；按所用材料分為陶瓷

48、、有機高分子、半導(dǎo)體、電解質(zhì)等。子、半導(dǎo)體、電解質(zhì)等。主要特性參數(shù)：感濕特性、濕度測量范圍、靈敏度、主要特性參數(shù)：感濕特性、濕度測量范圍、靈敏度、濕滯特性、響應(yīng)時間、溫度系數(shù)、長期穩(wěn)定性濕滯特性、響應(yīng)時間、溫度系數(shù)、長期穩(wěn)定性選擇濕敏元件或傳感器需考慮的因素選擇濕敏元件或傳感器需考慮的因素 ：溫度范圍、濕：溫度范圍、濕度范圍、測量精度，使用壽命、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、度范圍、測量精度，使用壽命、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、濕滯回差、重現(xiàn)性、靈敏度、線性、溫度系數(shù)、耐濕滯回差、重現(xiàn)性、靈敏度、線性、溫度系數(shù)、耐惡劣環(huán)境能力等指標(biāo)和因素，并考慮其轉(zhuǎn)換電路的惡劣環(huán)境能力等指標(biāo)和因素，并考慮其轉(zhuǎn)換電路的成本和制作工

49、藝。成本和制作工藝。2021-12-928第二十八頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件制作材料：主要為多孔狀金屬氧化物材料。制作材料：主要為多孔狀金屬氧化物材料。原理：利用制作元件的材料的表面多孔性吸濕，在吸附水原理：利用制作元件的材料的表面多孔性吸濕，在吸附水分子后其電導(dǎo)率改變。若電導(dǎo)率隨濕度增加而下降，則分子后其電導(dǎo)率改變。若電導(dǎo)率隨濕度增加而下降，則稱負(fù)特性稱負(fù)特性(txng)濕敏半導(dǎo)體陶瓷；反之稱正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷；反之稱正特性(txng)濕敏半導(dǎo)體陶瓷。濕敏半導(dǎo)體陶瓷。典型濕敏器件：由典型濕敏器件：由MgCr2

50、O4-TiO2固熔體組成的多孔半固熔體組成的多孔半導(dǎo)體陶瓷元件。這種材料的表面電阻值能在很寬范圍內(nèi)導(dǎo)體陶瓷元件。這種材料的表面電阻值能在很寬范圍內(nèi)隨濕度增加而變小，高濕條件下多次反復(fù)熱清洗，性能隨濕度增加而變小，高濕條件下多次反復(fù)熱清洗，性能仍不變。仍不變。(1) 半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理兩種理論解釋：一是從半導(dǎo)體表面的電子過程給予解釋；兩種理論解釋：一是從半導(dǎo)體表面的電子過程給予解釋；二是從半導(dǎo)體表面的離子過程給予解釋。二是從半導(dǎo)體表面的離子過程給予解釋。2021-12-929第二十九頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.3.2 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件

51、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件(1) 半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理(a) 半導(dǎo)體感濕陶瓷表面的電子過程半導(dǎo)體感濕陶瓷表面的電子過程* 半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件用金屬氧化物半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成，多以離子鍵為主。其表面對正離子具有較大制成，多以離子鍵為主。其表面對正離子具有較大的電子親和力，因而在其能帶結(jié)構(gòu)的電子親和力，因而在其能帶結(jié)構(gòu)(jigu)上，在上，在略低于導(dǎo)帶底處出現(xiàn)表面受主能級，而表面負(fù)離子略低于導(dǎo)帶底處出現(xiàn)表面受主能級，而表面負(fù)離子則在比價帶項略高之處出現(xiàn)表面施主能級。則在比價帶項略高之處出現(xiàn)表面施主能級。氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料有氧化物半導(dǎo)體陶瓷

52、材料有N型材料和型材料和P型材料，一型材料，一般呈高阻態(tài)（氧的吸附）。對于般呈高阻態(tài)（氧的吸附）。對于N型材料，由于導(dǎo)型材料，由于導(dǎo)帶中的電子被受主俘獲，故在表面形成電子耗盡層。帶中的電子被受主俘獲，故在表面形成電子耗盡層。同樣，同樣，P型材料的近表面處形成空穴耗盡層，表面型材料的近表面處形成空穴耗盡層，表面電阻也增加。電阻也增加。2021-12-930第三十頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.3.2 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件(1) 半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理(a) 半導(dǎo)體感濕陶瓷表面的電子過程半導(dǎo)體感濕陶瓷表面的電子過程*環(huán)境濕度增

53、加環(huán)境濕度增加(zngji)時，時，P型濕敏材料吸附水分型濕敏材料吸附水分子后，最初主要表現(xiàn)在表面的氧離子與水分子的氫子后，最初主要表現(xiàn)在表面的氧離子與水分子的氫相吸引，相當(dāng)于原來本征表面態(tài)氧施主能級密度下相吸引，相當(dāng)于原來本征表面態(tài)氧施主能級密度下降，原來所俘獲的部分空穴被釋放，使耗盡層變薄，降，原來所俘獲的部分空穴被釋放，使耗盡層變薄，表面載流子密度增加表面載流子密度增加(zngji)，表面電阻下降。在，表面電阻下降。在粒界處，粒界勢壘降低，晶粒表面層電阻下降。當(dāng)粒界處，粒界勢壘降低，晶粒表面層電阻下降。當(dāng)濕度進(jìn)一步增大時，使表面受主態(tài)密度增大，并使?jié)穸冗M(jìn)一步增大時，使表面受主態(tài)密度增大，

54、并使其大大超過表面施主態(tài)密度，則在表面處會形成比其大大超過表面施主態(tài)密度，則在表面處會形成比體內(nèi)更高的空穴積壘層，使空穴勢壘不復(fù)存在，空體內(nèi)更高的空穴積壘層，使空穴勢壘不復(fù)存在，空穴極易通過，元件電阻下降。同樣，穴極易通過，元件電阻下降。同樣，N型陶瓷濕敏型陶瓷濕敏器件也會得到相同的結(jié)果。器件也會得到相同的結(jié)果。2021-12-931第三十一頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.3.2 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件(1) 半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理(b) 半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過程半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過程制成陶瓷濕敏元件的金屬制成陶瓷濕敏元件

55、的金屬(jnsh)氧化物的結(jié)構(gòu)單氧化物的結(jié)構(gòu)單元可視為金屬元可視為金屬(jnsh)正離子與氧負(fù)離子，并在表正離子與氧負(fù)離子，并在表面以正、負(fù)離子交替分布。由于它未被異性離子屏面以正、負(fù)離子交替分布。由于它未被異性離子屏蔽，因此對電子電荷有不同的吸引力。水是極性分蔽，因此對電子電荷有不同的吸引力。水是極性分子，當(dāng)它接觸元件表面時，由于水離解成子，當(dāng)它接觸元件表面時，由于水離解成H+和和OH離子，所以產(chǎn)生化學(xué)吸附。結(jié)果使得離子，所以產(chǎn)生化學(xué)吸附。結(jié)果使得H+離子離子與氧化物表面的氧離子結(jié)合，與氧化物表面的氧離子結(jié)合，OH離子則與其中的離子則與其中的金屬金屬(jnsh)離子結(jié)合。離子結(jié)合。2021-

56、12-932第三十二頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.3.2 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件(1)半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理半導(dǎo)體陶瓷材料的感濕機理(b) 半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過程半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過程隨著相對濕度增加，在表面隨著相對濕度增加，在表面OH上形成物理吸附的水上形成物理吸附的水分子分子層。由于化學(xué)吸附層中形成的局部電場，促進(jìn)了物理層。由于化學(xué)吸附層中形成的局部電場，促進(jìn)了物理吸附吸附水的分解，水分解產(chǎn)生一個水的分解，水分解產(chǎn)生一個OH和一個水合氫離子和一個水合氫離子H3O+，即即2H2OH3O+OH，其電荷輸送是通過一個質(zhì)子附，其電荷輸送是通過一個

57、質(zhì)子附載在水載在水分子上形成水合氫離子。該水合氫離子會自動分子上形成水合氫離子。該水合氫離子會自動(zdng)釋放出另一釋放出另一質(zhì)子給第二個水分子，該分子接收此質(zhì)子，同時釋放質(zhì)子給第二個水分子，該分子接收此質(zhì)子，同時釋放出第出第三個質(zhì)子，這樣周而復(fù)始地進(jìn)行下去。隨著水蒸氣壓三個質(zhì)子，這樣周而復(fù)始地進(jìn)行下去。隨著水蒸氣壓力的力的增加，則形成多層水的吸附層，其表面將被水覆蓋，增加，則形成多層水的吸附層，其表面將被水覆蓋，進(jìn)一進(jìn)一步促進(jìn)上述質(zhì)子輸運反應(yīng)，使其電導(dǎo)變化。步促進(jìn)上述質(zhì)子輸運反應(yīng)，使其電導(dǎo)變化。第三十三頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體(dot)陶

58、瓷濕敏電阻元件陶瓷濕敏電阻元件（2）典型半導(dǎo)體）典型半導(dǎo)體(dot)陶瓷器件陶瓷器件一種一種MgCr2O4-TiO2半導(dǎo)體半導(dǎo)體(dot)陶瓷濕度傳感器陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。陶瓷片的兩面設(shè)有多孔金電極，并結(jié)構(gòu)如圖所示。陶瓷片的兩面設(shè)有多孔金電極，并用摻金玻璃粉將引出線與金電極燒結(jié)在一起。在半用摻金玻璃粉將引出線與金電極燒結(jié)在一起。在半導(dǎo)體導(dǎo)體(dot)陶瓷片外面，設(shè)有一個用鎳鉻絲制成的陶瓷片外面，設(shè)有一個用鎳鉻絲制成的加熱清洗線圈，對器件能做加熱清洗，排除有害氣加熱清洗線圈，對器件能做加熱清洗，排除有害氣體的污染。器件安裝在一個高度致密的、疏水性的體的污染。器件安裝在一個高度致密的、疏水

59、性的陶瓷基片上。為消除底座上測量電極陶瓷基片上。為消除底座上測量電極2和和3之間因吸之間因吸濕和污染引起的漏電，在電極濕和污染引起的漏電，在電極2和和3的周圍設(shè)置了金的周圍設(shè)置了金短路環(huán)，圖中的短路環(huán)，圖中的1和和4為加熱器的引出線。為加熱器的引出線。該傳感器由該傳感器由P型型MgCr2O4和和N型型TiO2兩種材兩種材料燒結(jié)而成，是一種機械混合的復(fù)合型半料燒結(jié)而成，是一種機械混合的復(fù)合型半導(dǎo)體導(dǎo)體(dot)陶瓷。其電阻率較低、電阻率溫度系陶瓷。其電阻率較低、電阻率溫度系數(shù)很小。數(shù)很小。2021-12-934第三十四頁，共52頁。8 化學(xué)化學(xué)(huxu)傳感器傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體陶瓷濕敏

60、電阻元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻元件（2）典型半導(dǎo)體陶瓷器件）典型半導(dǎo)體陶瓷器件左圖為這種濕敏電阻的電阻左圖為這種濕敏電阻的電阻-相對濕度特性曲線。右相對濕度特性曲線。右圖是一種測量電路。其中圖是一種測量電路。其中R為濕敏電阻，為濕敏電阻，Rt為溫度補為溫度補償用熱敏電阻。為使檢濕的靈敏度最大，取償用熱敏電阻。為使檢濕的靈敏度最大，取R=Rt。這時傳感器輸出電壓經(jīng)跟隨器并整流和濾波這時傳感器輸出電壓經(jīng)跟隨器并整流和濾波(lb)后，后，一路送比較器一路送比較器1與參考電壓與參考電壓Ul比較，以顯示濕度測量比較，以顯示濕度測量值；另一路送比較器值；另一路送比較器2與參考電壓與參考電壓U2比較，以控制加比