化學(xué)傳感器的介紹課件

1、第13章 化學(xué)傳感器 能將各種化學(xué)物質(zhì)的特性（如氣體、離子、電解質(zhì)濃度、空氣濕度等）的變化定性或定量地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器稱作化學(xué)傳感器。 化學(xué)傳感器是一門由材料科學(xué)、超分子化學(xué)、光電子學(xué)、微電子學(xué)和信號(hào)處理技術(shù)等多種學(xué)科相互滲透成長(zhǎng)起來(lái)的高新技術(shù)。具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、能在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)；可以高度自動(dòng)化、微型化與集成化，減少了對(duì)使用者環(huán)境和技術(shù)的要求，在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品、醫(yī)藥及國(guó)家安全等利用有著重要的應(yīng)用價(jià)值。13.1 離子敏傳感器 1 MOS管的結(jié)構(gòu)和特性S (Source)：源極G (Gate)：柵極D (Drain)：漏極B (Sub

2、strate):襯底工作原理：N溝道：當(dāng)UGS 大于導(dǎo)通電壓時(shí)，D-S極導(dǎo)通；P溝道：當(dāng)UGS 小于導(dǎo)通電壓0時(shí)，D-S極導(dǎo)通；N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性 用半導(dǎo)體工藝制作的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。常用的是絕緣柵增強(qiáng)型 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。2 離子敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 離子敏傳感器是由MOS場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)展過(guò)來(lái)，它的柵極與普通MOS管不太一樣，在二氧化硅柵極內(nèi)摻有對(duì)某些離子敏感的重金屬。離子敏傳感器由離子敏感膜和轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，敏感膜能夠識(shí)別離子的種類和濃度，轉(zhuǎn)換器將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。MOSFET場(chǎng)

3、效應(yīng)管是利用金屬柵上所加電壓大小來(lái)控制漏源電流的；ISFET則是利用其對(duì)溶液中離子有選擇作用而改變柵極電位，以此來(lái)控制漏源電流變化的。敏感膜涂覆在MOS管的柵極，對(duì)某些離子存在時(shí)改變柵極電位。離子場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖外圍共源電路ISFET具有以下特點(diǎn)：(1)ISFET具有MOSFET一樣的輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。(2)ISFET是全固態(tài)化結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高。(3)敏感膜很薄，100nm。水化時(shí)間很短,響應(yīng)速度很快。(4) ISFET是利用半導(dǎo)體集成電路工藝制造的，易將信息轉(zhuǎn)換放大與敏感器件集成在一塊芯片上，系統(tǒng)智能化、小型化。(5)由ISFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可見，離子敏感材料與

4、場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏源之間是互相絕緣的，是依靠敏感膜與絕緣體界面電位變化來(lái)控制溝道中漏源電流變化的。3 ISFET的特點(diǎn)和參數(shù) 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）的比較離子敏場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)：1、線性度。 2、動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 3、遲滯。 4、選擇系數(shù)。 4 ISFET的應(yīng)用ISFET可以用來(lái)測(cè)量離子敏電極所不能測(cè)量的生物體中的微小區(qū)域和微量離子。因此，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有很強(qiáng)的生命力。此外，在環(huán)境保護(hù)、化工自控、礦山、地質(zhì)、土壤、水文以及家庭生活等各個(gè)方面都有其作用。(1)對(duì)生物體液中無(wú)機(jī)離子的檢測(cè)。 (2)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。 (3)在其它方面的應(yīng)用。

5、13.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器1 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類按氣電轉(zhuǎn)換分類，有金屬氧化物半導(dǎo)體式、接觸燃燒式、熱傳導(dǎo)式、固體電解式、恒電位電解式、伽伐尼電池式、光電干涉式以及紅外線吸收式等。按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。 半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面還是在其內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩大類 半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面還是在其內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩大類 2 半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理敏感元件為MOS結(jié)構(gòu)，分為N型、P型和混合型三種。 敏感部分是MOS微晶燒結(jié)體，當(dāng)它的表面吸附被檢測(cè)氣體時(shí)，接觸介面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)

6、生變化，使氣敏元件的電阻值隨被測(cè)氣體的濃度改變而改變。 當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，或還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使載流子減少，而使電阻值增大。相反，當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，或氧化型氣體吸附P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使載流子增多，使電阻值下降。半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)到氣體時(shí)電阻值發(fā)生變化。3 半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 (1)SnO2氣敏傳感器 結(jié)構(gòu)如圖，它主要由SnO2 燒結(jié)體、加熱器、電極引線、塑料底座及不銹鋼絲網(wǎng)罩等部分組成。 SnO2 氣敏元件的主要特性參數(shù)如下： 固有有電阻R0和工作電阻RS 靈敏度S 響應(yīng)時(shí)間tes恢復(fù)時(shí)間tec 回路電壓UC 潔凈空氣中的電壓U0 標(biāo)定氣體

7、中的電壓UCS 電壓比KV 加熱電阻RH和加熱功率PH(2)Fe2 O3 系氣敏傳感器Fe2 O3 氣敏傳感器：示意圖如下。這種傳感器對(duì)丙烷很敏感，但對(duì)甲烷不很敏感。 Fe2 O3 氣敏傳感器：示意圖如下它對(duì)甲烷和異丁烷很敏感，但對(duì)水蒸氣和乙醇不靈敏。 4 接觸燃燒式氣敏傳感器在鉑絲線圈上涂有氧化鋁制成球狀物燒結(jié)，再在外表面敷設(shè)鉑（Pt）、鈀（Pd）和銠（Rh）等稀有金屬催化劑。 測(cè)量電路為電橋，氣敏傳感器主要用在可燃性氣體測(cè)量及泄漏報(bào)警等裝置上。5 電化學(xué)式氣敏傳感器 恒電位電解式傳感器：工作原理是通過(guò)隔膜，將擴(kuò)散吸收到電解液中的被測(cè)氣體，使其電解來(lái)檢測(cè)氣體濃度，該電解作用是在從外部加了特定

8、電位的電極表面上進(jìn)行的，只要測(cè)定加在電極上的電位，可確定被測(cè)氣體特有的電解電位。 這種傳感器的工作原理是將透過(guò)隔膜而擴(kuò)散吸收到電解液中的被測(cè)氣體進(jìn)行電解，測(cè)量電解時(shí)所形成的電解電流，就可知道被測(cè)氣體的濃度，由于各種被測(cè)氣體的固有電解電位是確定的，不能任意選擇，選擇被測(cè)氣體受到限制。 6 紅外線氣敏傳感器 工作原理：由兩個(gè)以上不同原子構(gòu)成的氣體分子，具有偶極矩，當(dāng)紅外波段的光線照射它時(shí)，產(chǎn)生核間隔振動(dòng)性的變化運(yùn)動(dòng)和整個(gè)分子繞一個(gè)軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能級(jí)遷移，吸收取決于該分子結(jié)構(gòu)的特定波長(zhǎng)的光。測(cè)量這種吸收光譜，則可判別氣體分子的種類；測(cè)吸收強(qiáng)度就可知道被測(cè)氣體的濃度它的測(cè)量原理是利用固體電解質(zhì)的氧離子

9、導(dǎo)電特性。7 固體電解質(zhì)氧所傳感器 8 電阻式氣敏傳感器 電阻式氣敏傳感器是根據(jù)具有還原性的氣體的濃度增加時(shí),其電阻值變小的原理而工作的。9 氫敏MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 氫敏MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極用鈀。10 氣敏傳感器的應(yīng)用 (1)家用煤氣、液化石油氣泄漏報(bào)警器(2)瓦斯報(bào)警器 適用于小型煤礦和家庭。它由氣敏元件和電位器RW組成氣敏檢測(cè)電路，555和其外圍元件組成多諧振蕩器。 (3)酒精測(cè)試儀用來(lái)探測(cè)汽車尾氣的濃度，也常用來(lái)制作酒精測(cè)試儀。(4)自動(dòng)換氣扇 采用氣體傳感器對(duì)廚房?jī)?nèi)的的可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)換氣扇進(jìn)行控制的一種自動(dòng)裝置。它由氣敏傳感器、TWH8751開關(guān)集成電路、電源及換氣扇

10、等組成。 (5)自動(dòng)抽油煙機(jī)自動(dòng)抽油煙機(jī)能感知廚房的油煙等所造成的室內(nèi)空氣污染，并自動(dòng)開啟排風(fēng)扇，排除油煙等有害氣體，凈化室內(nèi)空氣。 1 濕度與濕敏傳感器的分類 (1)濕度濕度:大氣中的水蒸汽的含量，即空氣的干濕程度。絕對(duì)濕度:以每1m3大氣所含水氣的克數(shù)來(lái)表示。相對(duì)濕度:絕對(duì)濕度與飽和濕度之比。 飽和濕度:指被測(cè)媒質(zhì)的單位體積可能儲(chǔ)水蒸汽的最大量。 露點(diǎn):保持壓力下降溫，使混合氣體中的水蒸氣達(dá)到飽和而開始結(jié)露時(shí)的溫度，稱為露點(diǎn)溫度（單位為0C）。 13.3 濕敏傳感器(2)濕敏傳感器的分類 水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性稱之為水分子親和力。利用這一特性制成的濕敏傳感器稱為

11、水分子親和力型傳感器。而把與水分子親和力無(wú)關(guān)的濕敏傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。(3)對(duì)濕敏傳感器的基本要求能滿足所要求的濕度測(cè)量范圍，且響應(yīng)迅速在各氣體環(huán)境中特性穩(wěn)定。受溫度的影響小，能在-30100的環(huán)境溫度中使用。不受塵埃附著的影響。工作可靠,互換性好,制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。 2 水分子親和力型濕敏傳感器 (1)碳膜濕敏傳感器 在絕緣的聚苯乙烯基片上制備兩個(gè)電極，然后在電極之間噴涂一層含有碳粉粒的有機(jī)膠狀纖維素濕膜。 (2)電解質(zhì)濕敏傳感器濕敏電阻元件為氯化鋰濕敏電阻。 (3)高分子濕敏傳感器電容式濕敏傳感器 高分子醋酸纖維有機(jī)電容式濕敏傳感器基本上是一個(gè)電容器，利用其電容值隨濕度變化

12、的原理進(jìn)行濕度測(cè)量。樹脂濕度傳感器加在樹脂濕度傳感器上的電壓要低于0.8V，防止水電解。壓電晶體濕敏傳感器 涂敷在壓電晶體上的覆蓋薄膜有四種：聚合物硫酸；SiOX；按一定比例配制的環(huán)氧樹脂；醋酸纖維。 應(yīng)用這種傳感器應(yīng)注意：壓電晶體濕度傳感器的輸出量是數(shù)字量；壓電晶體尺寸不宜選得太大；。要選擇合適的薄膜。電阻式濕敏傳感器 它使用高分子固體電解質(zhì)材料作感濕膜，利用導(dǎo)電性高分子對(duì)水蒸汽的物理吸附作用引起電導(dǎo)率變化的原理工作的。(4)金屬氧化物膜濕敏傳感器 利用Fe2O3 、Fe3O4、Al2O3 等研制金屬氧化物膜濕敏傳感器。 電阻式濕敏傳感器和金屬氧化物膜濕敏傳感器結(jié)構(gòu)一樣 (5)金屬氧化物陶瓷

13、濕敏傳感器MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏傳感器 多孔陶瓷材料表面吸收水分三個(gè)階段1MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)特性NiO陶瓷濕敏傳感器3 非水分子親和力型濕敏傳感器(1)熱敏電阻式濕敏傳感器熱敏電阻式濕敏感器的輸出電壓與絕對(duì)濕度成正比。傳感器不用濕敏功能材料，因而不存在滯后誤差。理論上看，傳感器的測(cè)濕響應(yīng)速度應(yīng)該是極其迅速的。很難在寬的范圍內(nèi)電橋調(diào)平衡，濕敏傳感器成本較高。 (2)紅外線吸收式濕敏傳感器水蒸汽可以吸收某波長(zhǎng)的紅外線，利用這個(gè)現(xiàn)象能夠制成紅外吸收式濕敏傳感器。光源發(fā)出的紅外光經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后入射至待測(cè)空氣，光束穿過(guò)待測(cè)空氣后被光敏元件接收。(3)超聲波式濕敏傳感器 傳感器的基本結(jié)構(gòu)是在對(duì)置的超聲波換能器之間加設(shè)一個(gè)溫度傳感器。超聲波換能器之一發(fā)送超聲波，另一只接收超聲波。 (4)微波水分傳感器 微波水分傳感器是利用微波在水蒸汽的空氣中傳播，水汽吸收微波使其產(chǎn)生損耗而制成的。4 濕敏傳感器的應(yīng)用 (1)電容式谷物水分測(cè)試儀(2)濕度檢測(cè)器(3)花盆缺水指示器(4)倉(cāng)儲(chǔ)濕度控制電路13.4 電化學(xué)傳感器 1 結(jié)構(gòu)原理 傳感器的結(jié)構(gòu)如圖。它由電解池、墊圈、吹管、參比電極及