新型傳感器第六章課件

化學傳感器第六章化學傳感器第一節(jié)離子敏傳感器

1、MOS場效應管2、離子敏場效應管第二節(jié)氣敏傳感器

1、電阻式氣敏傳感器2、MOSFET氣敏傳感器第三節(jié)濕敏傳感器

1、水分子親和力型濕敏傳感器2、非水分子親和力型濕敏傳感器第四節(jié)工業(yè)廢水排放的自動監(jiān)測

1、概述2、在線檢測解決方案3、在線檢測裝置化學傳感器第六章第一節(jié)離第一節(jié)離子敏傳感器1、場效應管的結構一、MOS場效應管在P型硅襯底上擴散兩個n+區(qū)，將兩個n+區(qū)用電極引出，作為源極（S）和漏極（D）。離子敏場效應管(ISFET)的結構和一般的場效應管基本相同，為了理解離子敏場效應管的原理，我們不妨先簡單回顧一下場效應管的工作原理。源極和漏極之間生成SiO2絕緣層，在絕緣層上蒸鍍一層金屬電極并引出，作為柵極（G）。第一節(jié)離子敏傳感器1、場效應管的結構一、MOS場效應管若源極和漏極之間施加電壓的話，帶電粒子將沿著該溝道流通，形成漏源極之間的溝道電流，又稱作漏電流（ID）。2、場效應管工作原理在柵-源極施加電壓VGS，柵極下的P型襯底表面將大量積聚電子而形成反型層。當VGS≥VTH時，柵極下將形成強反型層，在源極-漏極之間形成n型溝道。若源極和漏極之間施加電壓的話，帶電粒子將沿著該溝道流通，形成離子敏場效應管正是利用場效應管的上述特性而實現(xiàn)對離子濃度的測量的。3、漏電流的計算當VDS＜（VGS–VT）時（場效應管工作在非飽和區(qū)）：當VDS≥（VGS–VT）時（在飽和區(qū)）：式中：β是一個與場效應管結構有關的系數(shù)，并且：其中，W、L、μn、Cox分別為溝道寬度、長度、溝道中電子的有效遷移率。場效應管漏電流ID的大小與閾值電壓VT有關，特別是在VDS、VGS恒定的情況下，閾值電壓VT的變化將引起漏電流ID的變化。離子敏場效應管正是利用場效應管的上述特性而實現(xiàn)對離子濃度的測1、離子敏場效應管的結構二、離子敏場效應管離子敏感器件由離子選擇膜（敏感膜）和轉換器兩部分構成，敏感膜用以識別離子的種類和濃度，轉換器則將敏感膜感知的信息轉換為電信號?；驹恚弘x子在敏感膜與溶液交界處產生界面電位，影響MOS管的閾值電壓。1、離子敏場效應管的結構二、離子敏場效應管離子敏感器件由離溶液與敏感膜和參比電極同時接觸，充當了普通場效應管的柵金屬極，構成了完整的場效應管結構，其源極、漏極的用法與一般的場效應管沒有任何的區(qū)別。離子敏場效應管的絕緣層（Si3N4或SiO2層）與柵極之間沒有金屬柵極，而是在絕緣柵上制作一層敏感膜。離子膜可以是固態(tài)也可以是液態(tài)的。不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子選擇性。含有各種離子的溶液與敏感膜直接接觸，柵極用參考電極構成。溶液與敏感膜和參比電極同時接觸，充當了普通場效應管的柵金屬極2、離子的活度在待測溶液和敏感膜的交界處將產生界面電位φi，根據(jù)能斯特方程，界面電位的大小和離子的活度有關：其中，φ0為常數(shù)；T為器件的絕對溫度；n為溶液中離子的價數(shù)；αi為溶液中離子的活度；氣體常數(shù)R=8.314Jk-1mol-1；法拉第常數(shù)F=9.694×104C·mol-1。對于陰離子，若還原態(tài)物質活度為1：對于陽離子，若氧化態(tài)物質活度為1：2、離子的活度在待測溶液和敏感膜的交界處將產生界面電位φi，式中，Kij為離子敏場效應管的選擇系數(shù)?；疃圈羒表征了溶液中參加化學反應的離子濃度Ci，其單位為mol/L，并且：αi=νiCi其中，νi為離子的活度系數(shù)，與溶液中離子的濃度有關，離子濃度越大，νi越小；相反，νi越大，當離子濃度Ci=0時，νi=1。在待測溶液中，一般總是存在著許多種離子，其它離子對待測離子的測量會起到干擾作用?？紤]到干擾離子的作用，能斯特方程可以表示為：式中，Kij為離子敏場效應管的選擇系數(shù)?；疃圈羒表征了溶液中V’GS=VGS–φi–φref

3、離子的濃度的測量采用共源電路連接。考慮到參比電極的電位φref

、界面電位φi，實際施加于場效應管絕緣膜和半導體表面上的電壓為：V’GS=VGS–φi–φref 3、離子的在外加電壓VGS和VDS恒定、保持參考電極的電位φref不變條件下，ISFET的漏電流IDS的大小將隨溶液的離子活度αi的變化而變化。式中，QSS為場效應管等效表面態(tài)和氧化層電荷；QB為場效應管耗盡區(qū)單位面積電荷；Cox為場效應管單位面積的柵電容；φF為場效應管P型襯底的體內費米能級。對于n溝道增強型場效應管，如果V’GS大于場效應管閾值電壓VT，場效應管將由于V’GS的作用而導通，其漏極電流IDS為：非飽和區(qū)：飽和區(qū)：其中，等效閾值電壓為：通過對ISFET的漏電流IDS的大小的測量，就可以檢測出溶液中離子的濃度。在外加電壓VGS和VDS恒定、保持參考電極的電位φref不4）三、離子敏場效應管特性選擇系數(shù)：在相同的電氣與外界環(huán)境條件下，引起相同界面電位的待測離子活度φi與干擾離子的活度φj之間的比值稱作選擇系數(shù)，用Kij表示。具有普通場效應管的優(yōu)良特性，而作為離子敏器件，它還應滿足敏感元件的一些基本特性要求，線性度：器件在特定的測量范圍內的輸出電流IDS隨溶液中離子濃度的變化而變化的特性。動態(tài)響應：溶液中的離子活度階躍變化或周期性變化時，離子敏場效應管柵源電壓VGS、漏極電流IDS或輸出電壓VOUT隨時間而變化的情況。遲滯：溶液中離子活度由低值向高值變化或由高值向低值變化，離子敏場效應管的輸出的重復程度。4）三、離子敏場效應管特性選擇系數(shù)：在相同的電氣與外界環(huán)境第二節(jié)氣敏傳感器常見的方法：電化法、光學法、電氣法。電氣法主要有半導體式和接觸燃燒式兩類，而半導體式更具優(yōu)點（靈敏度高、制作方法簡單、價格便宜、響應速度快等）。能夠響應于氣體中的一定的成分，伴隨由此而引起的化學、物理效應，有著相應變化的電信號輸出的器件即稱為氣體敏感器件氣體敏感器件氣敏傳感器將氣體敏感器件隨氣體種類及濃度相應變化的電信號送入記錄、監(jiān)測、報警、控制等電路系統(tǒng)，就構成了氣敏傳感器第二節(jié)氣敏傳感器常見的方法：電化法、光學1、傳感原理一、電阻式氣敏傳感器SnO2是由許多晶粒組成的n型多晶體，其內部的電阻值可以等效為三種電阻串聯(lián)：單個晶粒的體電阻Rb（不受吸附氣體的影響）氣體給予或俘獲電子，改變晶粒表面勢壘，從而改變電子形成電流能力。半導體材料SnO2表面吸附某些氣體時，其電導率將隨氣體濃度的不同而發(fā)生改變。晶粒與晶粒之間的晶間電阻Rn（受吸附氣體濃度的影響）單個晶粒的表面電阻Rs（受吸附氣體的濃度影響），且Rs<<Rn1、傳感原理一、電阻式氣敏傳感器SnO2是由許多晶粒組成的n當SnO2表面吸附氧化性氣體（如O2）時，吸附態(tài)的氣體從晶粒表面俘獲電子，增大了材料表面的電子勢壘，使導帶電子數(shù)目減少，材料導電率降低，電阻增加。晶粒與晶粒相互接觸的表面(即晶界)存在著勢壘qVs。當表面吸附還原性氣體時，獲取氣體原子中的電子。電子在半導體內束縛空穴，降低空穴與電子的復合率，加強電子形成電流的能力，材料導電率提高，電阻減小。當SnO2表面吸附氧化性氣體（如O2）時，吸附態(tài)的氣體從晶粒燒結型：氣敏電阻懸掛于中央，底座樹脂模壓制成，六根引線為貴重金屬，外罩為100目不銹鋼絲網。電阻式氣敏傳感器有：燒結型、薄膜型和厚膜型三種，敏感元件多為SnO2。燒結型：氣敏電阻懸掛于中央，底座樹脂模壓制成，六根引線為貴重2、電阻式氣敏傳感器特性溫度的影響結論：傳感器通電初期，其電阻值的輸出有一個過渡時間，無論是定量測量還是閾值報警，電路應注意氣敏傳感器通電初期的過渡狀態(tài)。現(xiàn)象：電阻隨溫度而變化，其靈敏度關系有一峰值，峰值所處的溫度點為最佳工作溫度。因此，可以通過加熱的辦法提高氣敏傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性。原因：通電之前，材料吸附著大量水分子，通電后的一段時間內，受加熱而溫度上升，電阻值增加；當溫度上升到一定的值之后，傳感器吸附的水被蒸發(fā)，電阻值由高變低。2、電阻式氣敏傳感器特性溫度的影響結論：傳感器通電初期，其電濕度的影響在潮濕空氣中，傳感器的電導隨溫度的上升而增加。200℃之后，電導值隨溫度的上升而下降；600℃之后，干、濕空氣的電導值隨溫度的變化趨于一致。因此，選擇氣敏傳感器的工作溫度時，應盡可能選擇較高的工作溫度。濕度的影響在潮濕空氣中，傳感器的電導隨溫度的上升而增加。20鈀摻雜量多、活性高的氣敏材料，電阻值隨溫度的變化也較快；鈀摻雜量少、活性低的氣敏材料，電阻值隨溫度的變化較緩慢。催化劑和添加劑的作用改進傳感器選擇性最有效的辦法是加入催化劑或添加劑。不同的催化劑或添加劑能夠提高傳感器對不同的氣體的靈敏度，從而可以提高氣敏傳感器的選擇性。加入ThO2，對CO的靈敏，對H2的靈敏。催化劑的含量同樣能提高氣敏傳感器的選擇性，不同含量的鈀量作用效果不同，這是由于SnO2表面對氧吸附的激活能不同造成的。鈀摻雜量多、活性高的氣敏材料，電阻值隨溫度的變化也較快；鈀摻二、MOSFET氣敏傳感器可以檢測氫氣、含有氫原子、能與氫發(fā)生反應的氣體，例如氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)、氧氣(O2)、一氧化碳(CO)等。用的最多的是檢測氫氣。1、原理與結構基本原理：吸附于Pd柵膜表面的氫分子分解為氫原子，并擴散至SiO2界面，改變VT值。用能溶于氫氣(H2)的金屬鈀(Pd)或鉑(Pt)作為MOS管的金屬柵，即得到催化金屬場效應氣敏傳感器。二、MOSFET氣敏傳感器可以檢測氫氣、含有氫原子、能與氫發(fā)當氫氣吸附于Pd柵膜表面時，氫分子在柵膜表面迅速分解為氫原子，氫原子迅速向柵膜內擴散，其中一部分氫原子被吸附于Pd柵膜與氧化物(SiO2)界面，并在此界面形成氫原子層。MOSFET的閾值電壓VT因此而變化。氫氣敏n溝MOS晶體管采用P型單晶硅，S區(qū)、D區(qū)為重摻雜的n+型擴散區(qū)，氧化膜用氯化氫干氧氧化，膜厚為100nm，金屬Pd柵的厚度為100nm。當氫氣吸附于Pd柵膜表面時，氫分子在柵膜表面迅速分解為氫原子閾電壓變化值的測量電路中，R是傳感器內部的加熱器電阻值，Vs是加熱的直流穩(wěn)壓電源，將柵極與漏極短接，使VG=VD，從而保證VDVG-VT，使晶體管工作于電流飽和區(qū)。外加恒流Id。在一定的溫度下，置于氫氣中的晶體管閾電壓隨氫氣的濃度變化而發(fā)生變化，電路輸出的變化值就反映了VT。2、測量電路閾電壓變化值的測量電路中，R是傳感器內部的加熱器電阻值，Vs靈敏度：閾值電壓VT與氣體濃度的關系。2、傳感器的特性在150℃工作溫度下，空氣中氫氣分壓與晶體管閾電壓變化VT的關系曲線。直線與垂直軸的交點VTmax0.5V。有氧氣存在時，氫和氧分子在Pd表面發(fā)生反應生成水分子，由于水分子吸附在Pd表面，使氫的復蓋系數(shù)減小。影響器件的靈敏度。靈敏度：閾值電壓VT與氣體濃度的關系。2、傳感器的特性在1溫度特性：閾值電壓隨溫度的變化關系Pd柵氣敏FET的工作溫度最好選擇在150℃附近。傳感器在室溫和惰性氣體中，有一定靈敏度，但響應時間或恢復時間太長。氫氣敏傳感器應工作在高溫空氣氣氛中，選擇較高的溫度可以防止Pd表面對水分子的吸附，提高靈敏度。當溫度低于100℃時，靈敏度很低。當溫度為100～150℃時，隨著溫度的升高，Pd表面水分子的被蒸發(fā)，靈敏度迅速增加，當溫度超過150℃，靈敏度隨溫度上升而緩慢變化。溫度特性：閾值電壓隨溫度的變化關系Pd柵氣敏FET的工作溫度響應特性：器件對氣體濃度的動態(tài)變化的響應能力。當器件接觸到氫氣時，氫迅速地擴散至Pd-SiO2界面處，達到飽和濃度N0，隨后遵循下列關系向SiO2中擴散：

式中，Nx為SiO2中氫的濃度，x為距離Pd-SiO2界面的深度，β為氫在SiO2中的擴散系數(shù)，t為響應時間。顯然，在柵氧化層厚度一定的前提下，擴散系數(shù)越大，響應時間越短。氫擴散系數(shù)與溫度有關，并隨器件溫度的增大而增大。一般，為了加快器件的響應速度，必須將器件的工作溫度提高，例如工作在120~150℃之間。當氣體濃度發(fā)生變化（一般指階躍變化）時，Pd柵氣敏FET的閾值電壓VT隨時間而逐步變化，并逐步達到穩(wěn)定值。響應時間：從氫氣階躍變化開始起直至達到穩(wěn)定值的95%所用的時間?；謴蜁r間：從氫氣氛圍突然置于空氣，輸出達到穩(wěn)定值95%所用時間。器件閾值電壓VT的響應時間與Pd-SiO2界面處氫氣的濃度達到穩(wěn)定所需的時間有關，實際上最終取決于氫在Pd、SiO2和Si中的擴散速度。響應特性：器件對氣體濃度的動態(tài)變化的響應能力。當器件接觸到氫為了消除二氧化硅對氫的吸附，可以采用其它絕緣膜代替二氧化硅和金屬接觸。例如在SiO2絕緣層上沉積厚度約100?的Al2O3層，使金屬柵與Si半導體襯底之間構成Pd-Al2O3-SiO2-Si結構。由于Al2O3層的阻擋作用，可以減少SiO2絕緣層的正離子遷移，從而改善閾值電壓的慢漂移。使器件在氫氣中有較好的穩(wěn)定性，并且滯后現(xiàn)象不嚴重。由于Pd-Al2O3-SiO2-Si結構在絕緣層上不存在氫的吸附點，提高了響應速度，在低溫下對氫氣也有較快的響應速度。不過，這種結構制備工藝復雜，器件的靈敏度也受到一定的影響。圖中，垂直線段表示在恒定氫氣溫度下，18小時周期內響應的最大值與最小值。器件漂移小于3mV/24小時。穩(wěn)定性：閾值電壓VT隨時間發(fā)生緩慢漂移的特性。影響因素之一：Pd柵膜層的鼓包現(xiàn)象。Pd柵長期吸附氫會使金屬的晶格膨脹，在金屬和絕緣體界面產生應力，導致金屬和絕緣體分開（即產生鼓包），進而導致靈敏度下降。一般采用厚膜Pd柵(200nm)，或者采用Pd/Pt雙層金屬柵結構，使Pt層緊靠絕緣體。影響因素之二：Pd-SiO2-Si結構在氫氣中存在滯后或漂移。在緊靠金屬-氧化物界面的二氧化硅上有氫的吸附。為了消除二氧化硅對氫的吸附，可以采用其它絕緣膜代替二氧化硅和第三節(jié)濕敏傳感器一、概述絕對濕度-----表示氣體的單位體積中所含的水蒸汽量相對濕度-----表示氣體的絕對濕度與在同一溫度下水蒸汽已達飽和的氣體的絕對濕度之比二、應用軍事、氣象、農業(yè)、工業(yè)建筑、家用電器三、種類水分子親和力型傳感器非水分子親和力型傳感器第三節(jié)濕敏傳感器一、概述絕對濕度-----表示氣體的單位四、水分子親和力型1、敏感材料（1）氯化鋰電解質一定的氯化鋰，水蒸氣含量高，其離子導電狀態(tài)好，電阻低水蒸氣含量低，其離子導電狀態(tài)差，電阻高（2）高分子材料1）高分子電容式濕度傳感器2）高分子電阻式濕度傳感器（3）金屬氧化物（4）金屬氧化物陶瓷四、水分子親和力型1、敏感材料（1）氯化鋰電解質一定的氯化鋰1、MgCr2O4-TiO2系陶瓷（一）、水分子親和力型濕敏傳感器金屬氧化物陶瓷摻加TiO2，經燒結可得到多孔構造的MgCr2O4-TiO2系陶瓷，氣孔孔徑平均在1~3μm范圍內?；驹恚核肿颖惶沾蓺饪孜剑x解后形成導電離子，改變陶瓷的電阻。在0％RH～100％RH范圍內，可以通過控制和改變材料表面的微細構造面、控制與改變氣孔率與氣孔分布，材料的濕敏特性得到改善晶粒間的開放氣孔類似細管，利于水蒸氣等的吸收、附著和凝縮，從而使材料具有對濕度敏感特性。1、MgCr2O4-TiO2系陶瓷（一）、水分子親和力型濕敏進一步：大量水蒸氣的存在使傳感器的電極間形成均勻的電解質層，濕敏傳感器的外在表現(xiàn)是電阻值更加降低。多孔MgCr2O4-TiO2陶瓷材料表面吸收水分的情形，可以分為三個階段加以分析。剛接觸水蒸氣：少量水在晶界處化學吸附形成脛基，離解后產生質子，質子在晶格間滾動。隨后：水在脛基上物理吸附形成水的多分子層。濕度增大，并使電離能降低而并進一步促進離解，形成極高的離子濃度。傳感器的外在表現(xiàn)是濕度增加而電阻降低。進一步：大量水蒸氣的存在使傳感器的電極間形成均勻的電解質層，2、MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕敏傳感器在陶瓷濕敏體的兩側涂布糊狀氧化釕RuO2，干燥后在800℃左右溫度燒結成電極，便構成敏感部件，元件引線用鉑-銥合金為宜；器件繞以加熱絲。由于能加熱去污，傳感器穩(wěn)定性好、耐高溫高濕和耐惡劣環(huán)境。由于多孔質陶瓷濕敏材料表面積大，所以濕敏傳感器可以做得很小而不影響濕敏特性，體積小使得測濕響應速度較快。測濕之前，加熱元件表面達450℃以燒掉材料表面的油污、灰塵等污垢。為防止環(huán)境污穢在基板形成漏泄電阻，加置保護環(huán)并將其接地。RuO2與陶瓷的熱脹系數(shù)及粘接性相當一致，而且易于水分的吸附與脫卻，可生成許多氣孔，因此，幾乎不影響濕敏傳感器對于水分的吸、脫時間。2、MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕敏傳感器在陶瓷濕敏體的兩能通過加熱清除表面污垢，提高使用壽命和保持特性的穩(wěn)定。3、水分子親和型濕敏傳感器特性優(yōu)點：通過調整燒結體表面晶粒、晶粒界和細微氣孔的構造，改善濕敏特性。感濕體是極其微細的金屬氧化物顆粒的燒結體，其優(yōu)點是：傳感器表面與水蒸氣的接觸面積大，易于水蒸氣的吸著與脫卻；耐高溫，理、化性質穩(wěn)定，可用加熱去污以恢復材料的濕敏特性；能通過加熱清除表面污垢，提高使用壽命和保持特性的穩(wěn)定。3、水3、水分子親和型濕敏傳感器特性該濕敏傳感器的測濕響應從原理上就注定不可能很迅速。缺點：由于化學性吸附以及反復吸、脫濕，會使元件表面構造發(fā)生變化，從而產生滯后誤差。油垢、塵土和有害于元件的氣體都會使其物理吸附和化學吸附狀態(tài)發(fā)生變化，因而，傳感器特性變化在所難免。附著和浸入的水分、化學反應生成的氫氧化物會有一部分殘留其中而難以全部脫出，造成元件特性不穩(wěn)定、時效變化大和較大的滯后誤差。大氣中的水蒸氣量相當少，例如，100％RH、32℃的空氣中所含水蒸氣容積僅為4.5％，所以在極短的時間內，元件表面吸濕不可能達到與大氣濕度相平衡，從而就無法反映真實的濕度。3、水分子親和型濕敏傳感器特性該濕敏傳感器的測濕響應從原理上1、熱敏電阻式濕度傳感器二、非水分子親和力型濕敏傳感器電源E所供電流使熱敏電阻R1及R2保持在200℃左右的溫度。基本原理：空氣的換熱能力與濕度有關，從而改變熱敏電阻的阻值。顯然，熱敏電阻式濕度傳感器的特性受溫度的影響比較大。R1置于干燥空氣時，調節(jié)電橋平衡。當R1處于待測濕空氣時，因含濕空氣與干燥空氣換熱系數(shù)的差異，R1被冷卻而電阻值增高，電橋平衡被破壞。R1置于開孔金屬盒內，R2置于密封金屬盒內，兩盒的外形及尺寸相同；R2所在盒內封裝著干燥空氣。兩盒處于同一溫度場。1、熱敏電阻式濕度傳感器二、非水分子親和力型濕敏傳感器電源E新型傳感器第六章課件傳感器不用濕敏功能材料，因而不存在滯后誤差。2、熱敏電阻式濕度傳感器特性熱敏電阻式濕度傳感器的輸出電壓與絕對濕度成比例，可測量大氣絕對濕度。利用空氣的換熱系數(shù)與溫度有關的原理測量濕度，因而大氣中混入其它特種氣體或氣壓變化都會給測濕結果造成程度不同的影響。特別是混入比空氣換熱系數(shù)高的某些氣體（如CH4氣體）時，熱敏電阻被冷卻而阻值升高，輸出產生正值誤差；反之（如CO2和CCl2F2氣體），使傳感器輸出產生負向誤差。誤差的大小，隨特種氣體混入大氣中的濃度而變化。在較寬溫度范圍內調節(jié)電橋平衡相當麻煩，從而導致熱敏電阻式濕度傳感器成本較高。理論上，傳感器的測濕響應速度應該是極其迅速的，但金屬盒及防護罩對含濕大氣進出的置換需要一定的時間，熱敏電阻從接觸到待測濕氣直至電阻值達到穩(wěn)定值的90％，大約需要十幾秒左右。傳感器不用濕敏功能材料，因而不存在滯后誤差。2、熱敏電阻式濕2、紅外線吸收式濕度傳感器根據(jù)朗伯-貝爾法則，光束經過長為l的濕空氣后，其光強衰減量為：

△I=I0(1-e-lC) 基本原理：水蒸氣可以吸收某波長段的紅外線。紅外光束的光強I0，經吸收系數(shù)、濃度C的潮濕空氣后,光強衰減為I.2、紅外線吸收式濕度傳感器根據(jù)朗伯-貝爾法則，光束經過長為原理：超聲波在濕空氣中的傳播速度ch與濕度的關系為： ch=20.067[T(1+0.3192e/p)]1/2(m/s) 式中：T—大氣溫度(C)；e—水蒸氣分壓(mmHg)，p—大氣靜壓(mmHg)。設含濕空氣與干燥空氣中超聲波傳播速度差

c=ch-cd

20.067T1/2×0.1596e/p(m/s) e6.2669×c/cd 3、超聲波式濕度傳感器基本原理：超聲波的傳播速度與濕度有關。結構：兩只超聲波換能器對置，一只發(fā)送超聲波，另一只接收超聲波。兩者之間加設一個測溫元件，用來測量大氣溫度。特點：不受輻射熱影響，響應速度極快。可測量某一點(極小范圍)的絕對濕度，因此，可以用于氣球高空及溫室環(huán)境測量。缺點是對電子電路要求較高。原理：超聲波在濕空氣中的傳播速度ch與濕度的關系為：3、超聲離子敏感膜不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子選擇性。離子敏感膜不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子習題與思考1、離子敏場效應管(ISFET)、MOSFET氣敏傳感器的結構和一般的場效應管有什么不同？2、離子敏感器件由哪兩部分構成?3、電阻型氣敏傳感器的敏感元件是什么？如何判斷它所測得的氣體種類？4、電阻型氣敏傳感器工作時為何要加熱？5、熱敏電阻式濕度傳感器的敏感元件是什么？6、簡述紅外線吸收式濕度傳感器的工作原理。習題與思考1、離子敏場效應管(ISFET)、MOSFET氣化學傳感器第六章化學傳感器第一節(jié)離子敏傳感器

1、MOS場效應管2、離子敏場效應管第二節(jié)氣敏傳感器

1、電阻式氣敏傳感器2、MOSFET氣敏傳感器第三節(jié)濕敏傳感器

1、水分子親和力型濕敏傳感器2、非水分子親和力型濕敏傳感器第四節(jié)工業(yè)廢水排放的自動監(jiān)測

1、概述2、在線檢測解決方案3、在線檢測裝置化學傳感器第六章第一節(jié)離第一節(jié)離子敏傳感器1、場效應管的結構一、MOS場效應管在P型硅襯底上擴散兩個n+區(qū)，將兩個n+區(qū)用電極引出，作為源極（S）和漏極（D）。離子敏場效應管(ISFET)的結構和一般的場效應管基本相同，為了理解離子敏場效應管的原理，我們不妨先簡單回顧一下場效應管的工作原理。源極和漏極之間生成SiO2絕緣層，在絕緣層上蒸鍍一層金屬電極并引出，作為柵極（G）。第一節(jié)離子敏傳感器1、場效應管的結構一、MOS場效應管若源極和漏極之間施加電壓的話，帶電粒子將沿著該溝道流通，形成漏源極之間的溝道電流，又稱作漏電流（ID）。2、場效應管工作原理在柵-源極施加電壓VGS，柵極下的P型襯底表面將大量積聚電子而形成反型層。當VGS≥VTH時，柵極下將形成強反型層，在源極-漏極之間形成n型溝道。若源極和漏極之間施加電壓的話，帶電粒子將沿著該溝道流通，形成離子敏場效應管正是利用場效應管的上述特性而實現(xiàn)對離子濃度的測量的。3、漏電流的計算當VDS＜（VGS–VT）時（場效應管工作在非飽和區(qū)）：當VDS≥（VGS–VT）時（在飽和區(qū)）：式中：β是一個與場效應管結構有關的系數(shù)，并且：其中，W、L、μn、Cox分別為溝道寬度、長度、溝道中電子的有效遷移率。場效應管漏電流ID的大小與閾值電壓VT有關，特別是在VDS、VGS恒定的情況下，閾值電壓VT的變化將引起漏電流ID的變化。離子敏場效應管正是利用場效應管的上述特性而實現(xiàn)對離子濃度的測1、離子敏場效應管的結構二、離子敏場效應管離子敏感器件由離子選擇膜（敏感膜）和轉換器兩部分構成，敏感膜用以識別離子的種類和濃度，轉換器則將敏感膜感知的信息轉換為電信號?；驹恚弘x子在敏感膜與溶液交界處產生界面電位，影響MOS管的閾值電壓。1、離子敏場效應管的結構二、離子敏場效應管離子敏感器件由離溶液與敏感膜和參比電極同時接觸，充當了普通場效應管的柵金屬極，構成了完整的場效應管結構，其源極、漏極的用法與一般的場效應管沒有任何的區(qū)別。離子敏場效應管的絕緣層（Si3N4或SiO2層）與柵極之間沒有金屬柵極，而是在絕緣柵上制作一層敏感膜。離子膜可以是固態(tài)也可以是液態(tài)的。不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子選擇性。含有各種離子的溶液與敏感膜直接接觸，柵極用參考電極構成。溶液與敏感膜和參比電極同時接觸，充當了普通場效應管的柵金屬極2、離子的活度在待測溶液和敏感膜的交界處將產生界面電位φi，根據(jù)能斯特方程，界面電位的大小和離子的活度有關：其中，φ0為常數(shù)；T為器件的絕對溫度；n為溶液中離子的價數(shù)；αi為溶液中離子的活度；氣體常數(shù)R=8.314Jk-1mol-1；法拉第常數(shù)F=9.694×104C·mol-1。對于陰離子，若還原態(tài)物質活度為1：對于陽離子，若氧化態(tài)物質活度為1：2、離子的活度在待測溶液和敏感膜的交界處將產生界面電位φi，式中，Kij為離子敏場效應管的選擇系數(shù)?；疃圈羒表征了溶液中參加化學反應的離子濃度Ci，其單位為mol/L，并且：αi=νiCi其中，νi為離子的活度系數(shù)，與溶液中離子的濃度有關，離子濃度越大，νi越小；相反，νi越大，當離子濃度Ci=0時，νi=1。在待測溶液中，一般總是存在著許多種離子，其它離子對待測離子的測量會起到干擾作用。考慮到干擾離子的作用，能斯特方程可以表示為：式中，Kij為離子敏場效應管的選擇系數(shù)。活度αi表征了溶液中V’GS=VGS–φi–φref

3、離子的濃度的測量采用共源電路連接?？紤]到參比電極的電位φref

、界面電位φi，實際施加于場效應管絕緣膜和半導體表面上的電壓為：V’GS=VGS–φi–φref 3、離子的在外加電壓VGS和VDS恒定、保持參考電極的電位φref不變條件下，ISFET的漏電流IDS的大小將隨溶液的離子活度αi的變化而變化。式中，QSS為場效應管等效表面態(tài)和氧化層電荷；QB為場效應管耗盡區(qū)單位面積電荷；Cox為場效應管單位面積的柵電容；φF為場效應管P型襯底的體內費米能級。對于n溝道增強型場效應管，如果V’GS大于場效應管閾值電壓VT，場效應管將由于V’GS的作用而導通，其漏極電流IDS為：非飽和區(qū)：飽和區(qū)：其中，等效閾值電壓為：通過對ISFET的漏電流IDS的大小的測量，就可以檢測出溶液中離子的濃度。在外加電壓VGS和VDS恒定、保持參考電極的電位φref不4）三、離子敏場效應管特性選擇系數(shù)：在相同的電氣與外界環(huán)境條件下，引起相同界面電位的待測離子活度φi與干擾離子的活度φj之間的比值稱作選擇系數(shù)，用Kij表示。具有普通場效應管的優(yōu)良特性，而作為離子敏器件，它還應滿足敏感元件的一些基本特性要求，線性度：器件在特定的測量范圍內的輸出電流IDS隨溶液中離子濃度的變化而變化的特性。動態(tài)響應：溶液中的離子活度階躍變化或周期性變化時，離子敏場效應管柵源電壓VGS、漏極電流IDS或輸出電壓VOUT隨時間而變化的情況。遲滯：溶液中離子活度由低值向高值變化或由高值向低值變化，離子敏場效應管的輸出的重復程度。4）三、離子敏場效應管特性選擇系數(shù)：在相同的電氣與外界環(huán)境第二節(jié)氣敏傳感器常見的方法：電化法、光學法、電氣法。電氣法主要有半導體式和接觸燃燒式兩類，而半導體式更具優(yōu)點（靈敏度高、制作方法簡單、價格便宜、響應速度快等）。能夠響應于氣體中的一定的成分，伴隨由此而引起的化學、物理效應，有著相應變化的電信號輸出的器件即稱為氣體敏感器件氣體敏感器件氣敏傳感器將氣體敏感器件隨氣體種類及濃度相應變化的電信號送入記錄、監(jiān)測、報警、控制等電路系統(tǒng)，就構成了氣敏傳感器第二節(jié)氣敏傳感器常見的方法：電化法、光學1、傳感原理一、電阻式氣敏傳感器SnO2是由許多晶粒組成的n型多晶體，其內部的電阻值可以等效為三種電阻串聯(lián)：單個晶粒的體電阻Rb（不受吸附氣體的影響）氣體給予或俘獲電子，改變晶粒表面勢壘，從而改變電子形成電流能力。半導體材料SnO2表面吸附某些氣體時，其電導率將隨氣體濃度的不同而發(fā)生改變。晶粒與晶粒之間的晶間電阻Rn（受吸附氣體濃度的影響）單個晶粒的表面電阻Rs（受吸附氣體的濃度影響），且Rs<<Rn1、傳感原理一、電阻式氣敏傳感器SnO2是由許多晶粒組成的n當SnO2表面吸附氧化性氣體（如O2）時，吸附態(tài)的氣體從晶粒表面俘獲電子，增大了材料表面的電子勢壘，使導帶電子數(shù)目減少，材料導電率降低，電阻增加。晶粒與晶粒相互接觸的表面(即晶界)存在著勢壘qVs。當表面吸附還原性氣體時，獲取氣體原子中的電子。電子在半導體內束縛空穴，降低空穴與電子的復合率，加強電子形成電流的能力，材料導電率提高，電阻減小。當SnO2表面吸附氧化性氣體（如O2）時，吸附態(tài)的氣體從晶粒燒結型：氣敏電阻懸掛于中央，底座樹脂模壓制成，六根引線為貴重金屬，外罩為100目不銹鋼絲網。電阻式氣敏傳感器有：燒結型、薄膜型和厚膜型三種，敏感元件多為SnO2。燒結型：氣敏電阻懸掛于中央，底座樹脂模壓制成，六根引線為貴重2、電阻式氣敏傳感器特性溫度的影響結論：傳感器通電初期，其電阻值的輸出有一個過渡時間，無論是定量測量還是閾值報警，電路應注意氣敏傳感器通電初期的過渡狀態(tài)。現(xiàn)象：電阻隨溫度而變化，其靈敏度關系有一峰值，峰值所處的溫度點為最佳工作溫度。因此，可以通過加熱的辦法提高氣敏傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性。原因：通電之前，材料吸附著大量水分子，通電后的一段時間內，受加熱而溫度上升，電阻值增加；當溫度上升到一定的值之后，傳感器吸附的水被蒸發(fā)，電阻值由高變低。2、電阻式氣敏傳感器特性溫度的影響結論：傳感器通電初期，其電濕度的影響在潮濕空氣中，傳感器的電導隨溫度的上升而增加。200℃之后，電導值隨溫度的上升而下降；600℃之后，干、濕空氣的電導值隨溫度的變化趨于一致。因此，選擇氣敏傳感器的工作溫度時，應盡可能選擇較高的工作溫度。濕度的影響在潮濕空氣中，傳感器的電導隨溫度的上升而增加。20鈀摻雜量多、活性高的氣敏材料，電阻值隨溫度的變化也較快；鈀摻雜量少、活性低的氣敏材料，電阻值隨溫度的變化較緩慢。催化劑和添加劑的作用改進傳感器選擇性最有效的辦法是加入催化劑或添加劑。不同的催化劑或添加劑能夠提高傳感器對不同的氣體的靈敏度，從而可以提高氣敏傳感器的選擇性。加入ThO2，對CO的靈敏，對H2的靈敏。催化劑的含量同樣能提高氣敏傳感器的選擇性，不同含量的鈀量作用效果不同，這是由于SnO2表面對氧吸附的激活能不同造成的。鈀摻雜量多、活性高的氣敏材料，電阻值隨溫度的變化也較快；鈀摻二、MOSFET氣敏傳感器可以檢測氫氣、含有氫原子、能與氫發(fā)生反應的氣體，例如氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)、氧氣(O2)、一氧化碳(CO)等。用的最多的是檢測氫氣。1、原理與結構基本原理：吸附于Pd柵膜表面的氫分子分解為氫原子，并擴散至SiO2界面，改變VT值。用能溶于氫氣(H2)的金屬鈀(Pd)或鉑(Pt)作為MOS管的金屬柵，即得到催化金屬場效應氣敏傳感器。二、MOSFET氣敏傳感器可以檢測氫氣、含有氫原子、能與氫發(fā)當氫氣吸附于Pd柵膜表面時，氫分子在柵膜表面迅速分解為氫原子，氫原子迅速向柵膜內擴散，其中一部分氫原子被吸附于Pd柵膜與氧化物(SiO2)界面，并在此界面形成氫原子層。MOSFET的閾值電壓VT因此而變化。氫氣敏n溝MOS晶體管采用P型單晶硅，S區(qū)、D區(qū)為重摻雜的n+型擴散區(qū)，氧化膜用氯化氫干氧氧化，膜厚為100nm，金屬Pd柵的厚度為100nm。當氫氣吸附于Pd柵膜表面時，氫分子在柵膜表面迅速分解為氫原子閾電壓變化值的測量電路中，R是傳感器內部的加熱器電阻值，Vs是加熱的直流穩(wěn)壓電源，將柵極與漏極短接，使VG=VD，從而保證VDVG-VT，使晶體管工作于電流飽和區(qū)。外加恒流Id。在一定的溫度下，置于氫氣中的晶體管閾電壓隨氫氣的濃度變化而發(fā)生變化，電路輸出的變化值就反映了VT。2、測量電路閾電壓變化值的測量電路中，R是傳感器內部的加熱器電阻值，Vs靈敏度：閾值電壓VT與氣體濃度的關系。2、傳感器的特性在150℃工作溫度下，空氣中氫氣分壓與晶體管閾電壓變化VT的關系曲線。直線與垂直軸的交點VTmax0.5V。有氧氣存在時，氫和氧分子在Pd表面發(fā)生反應生成水分子，由于水分子吸附在Pd表面，使氫的復蓋系數(shù)減小。影響器件的靈敏度。靈敏度：閾值電壓VT與氣體濃度的關系。2、傳感器的特性在1溫度特性：閾值電壓隨溫度的變化關系Pd柵氣敏FET的工作溫度最好選擇在150℃附近。傳感器在室溫和惰性氣體中，有一定靈敏度，但響應時間或恢復時間太長。氫氣敏傳感器應工作在高溫空氣氣氛中，選擇較高的溫度可以防止Pd表面對水分子的吸附，提高靈敏度。當溫度低于100℃時，靈敏度很低。當溫度為100～150℃時，隨著溫度的升高，Pd表面水分子的被蒸發(fā)，靈敏度迅速增加，當溫度超過150℃，靈敏度隨溫度上升而緩慢變化。溫度特性：閾值電壓隨溫度的變化關系Pd柵氣敏FET的工作溫度響應特性：器件對氣體濃度的動態(tài)變化的響應能力。當器件接觸到氫氣時，氫迅速地擴散至Pd-SiO2界面處，達到飽和濃度N0，隨后遵循下列關系向SiO2中擴散：

式中，Nx為SiO2中氫的濃度，x為距離Pd-SiO2界面的深度，β為氫在SiO2中的擴散系數(shù)，t為響應時間。顯然，在柵氧化層厚度一定的前提下，擴散系數(shù)越大，響應時間越短。氫擴散系數(shù)與溫度有關，并隨器件溫度的增大而增大。一般，為了加快器件的響應速度，必須將器件的工作溫度提高，例如工作在120~150℃之間。當氣體濃度發(fā)生變化（一般指階躍變化）時，Pd柵氣敏FET的閾值電壓VT隨時間而逐步變化，并逐步達到穩(wěn)定值。響應時間：從氫氣階躍變化開始起直至達到穩(wěn)定值的95%所用的時間?；謴蜁r間：從氫氣氛圍突然置于空氣，輸出達到穩(wěn)定值95%所用時間。器件閾值電壓VT的響應時間與Pd-SiO2界面處氫氣的濃度達到穩(wěn)定所需的時間有關，實際上最終取決于氫在Pd、SiO2和Si中的擴散速度。響應特性：器件對氣體濃度的動態(tài)變化的響應能力。當器件接觸到氫為了消除二氧化硅對氫的吸附，可以采用其它絕緣膜代替二氧化硅和金屬接觸。例如在SiO2絕緣層上沉積厚度約100?的Al2O3層，使金屬柵與Si半導體襯底之間構成Pd-Al2O3-SiO2-Si結構。由于Al2O3層的阻擋作用，可以減少SiO2絕緣層的正離子遷移，從而改善閾值電壓的慢漂移。使器件在氫氣中有較好的穩(wěn)定性，并且滯后現(xiàn)象不嚴重。由于Pd-Al2O3-SiO2-Si結構在絕緣層上不存在氫的吸附點，提高了響應速度，在低溫下對氫氣也有較快的響應速度。不過，這種結構制備工藝復雜，器件的靈敏度也受到一定的影響。圖中，垂直線段表示在恒定氫氣溫度下，18小時周期內響應的最大值與最小值。器件漂移小于3mV/24小時。穩(wěn)定性：閾值電壓VT隨時間發(fā)生緩慢漂移的特性。影響因素之一：Pd柵膜層的鼓包現(xiàn)象。Pd柵長期吸附氫會使金屬的晶格膨脹，在金屬和絕緣體界面產生應力，導致金屬和絕緣體分開（即產生鼓包），進而導致靈敏度下降。一般采用厚膜Pd柵(200nm)，或者采用Pd/Pt雙層金屬柵結構，使Pt層緊靠絕緣體。影響因素之二：Pd-SiO2-Si結構在氫氣中存在滯后或漂移。在緊靠金屬-氧化物界面的二氧化硅上有氫的吸附。為了消除二氧化硅對氫的吸附，可以采用其它絕緣膜代替二氧化硅和第三節(jié)濕敏傳感器一、概述絕對濕度-----表示氣體的單位體積中所含的水蒸汽量相對濕度-----表示氣體的絕對濕度與在同一溫度下水蒸汽已達飽和的氣體的絕對濕度之比二、應用軍事、氣象、農業(yè)、工業(yè)建筑、家用電器三、種類水分子親和力型傳感器非水分子親和力型傳感器第三節(jié)濕敏傳感器一、概述絕對濕度-----表示氣體的單位四、水分子親和力型1、敏感材料（1）氯化鋰電解質一定的氯化鋰，水蒸氣含量高，其離子導電狀態(tài)好，電阻低水蒸氣含量低，其離子導電狀態(tài)差，電阻高（2）高分子材料1）高分子電容式濕度傳感器2）高分子電阻式濕度傳感器（3）金屬氧化物（4）金屬氧化物陶瓷四、水分子親和力型1、敏感材料（1）氯化鋰電解質一定的氯化鋰1、MgCr2O4-TiO2系陶瓷（一）、水分子親和力型濕敏傳感器金屬氧化物陶瓷摻加TiO2，經燒結可得到多孔構造的MgCr2O4-TiO2系陶瓷，氣孔孔徑平均在1~3μm范圍內?；驹恚核肿颖惶沾蓺饪孜剑x解后形成導電離子，改變陶瓷的電阻。在0％RH～100％RH范圍內，可以通過控制和改變材料表面的微細構造面、控制與改變氣孔率與氣孔分布，材料的濕敏特性得到改善晶粒間的開放氣孔類似細管，利于水蒸氣等的吸收、附著和凝縮，從而使材料具有對濕度敏感特性。1、MgCr2O4-TiO2系陶瓷（一）、水分子親和力型濕敏進一步：大量水蒸氣的存在使傳感器的電極間形成均勻的電解質層，濕敏傳感器的外在表現(xiàn)是電阻值更加降低。多孔MgCr2O4-TiO2陶瓷材料表面吸收水分的情形，可以分為三個階段加以分析。剛接觸水蒸氣：少量水在晶界處化學吸附形成脛基，離解后產生質子，質子在晶格間滾動。隨后：水在脛基上物理吸附形成水的多分子層。濕度增大，并使電離能降低而并進一步促進離解，形成極高的離子濃度。傳感器的外在表現(xiàn)是濕度增加而電阻降低。進一步：大量水蒸氣的存在使傳感器的電極間形成均勻的電解質層，2、MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕敏傳感器在陶瓷濕敏體的兩側涂布糊狀氧化釕RuO2，干燥后在800℃左右溫度燒結成電極，便構成敏感部件，元件引線用鉑-銥合金為宜；器件繞以加熱絲。由于能加熱去污，傳感器穩(wěn)定性好、耐高溫高濕和耐惡劣環(huán)境。由于多孔質陶瓷濕敏材料表面積大，所以濕敏傳感器可以做得很小而不影響濕敏特性，體積小使得測濕響應速度較快。測濕之前，加熱元件表面達450℃以燒掉材料表面的油污、灰塵等污垢。為防止環(huán)境污穢在基板形成漏泄電阻，加置保護環(huán)并將其接地。RuO2與陶瓷的熱脹系數(shù)及粘接性相當一致，而且易于水分的吸附與脫卻，可生成許多氣孔，因此，幾乎不影響濕敏傳感器對于水分的吸、脫時間。2、MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕敏傳感器在陶瓷濕敏體的兩能通過加熱清除表面污垢，提高使用壽命和保持特性的穩(wěn)定。3、水分子親和型濕敏傳感器特性優(yōu)點：通過調整燒結體表面晶粒、晶粒界和細微氣孔的構造，改善濕敏特性。感濕體是極其微細的金屬氧化物顆粒的燒結體，其優(yōu)點是：傳感器表面與水蒸氣的接觸面積大，易于水蒸氣的吸著與脫卻；耐高溫，理、化性質穩(wěn)定，可用加熱去污以恢復材料的濕敏特性；能通過加熱清除表面污垢，