1、第第1313章章 化学传感器化学传感器 能将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质能将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质浓度、空气湿度等）的变化定性或定量地转换成电信号浓度、空气湿度等）的变化定性或定量地转换成电信号的传感器称作化学传感器。的传感器称作化学传感器。化学传感器是一门由材料科学、超分子化学、光电化学传感器是一门由材料科学、超分子化学、光电子学、微电子学和信号处理技术等多种学科相互渗透成子学、微电子学和信号处理技术等多种学科相互渗透成长起来的高新技术。具有选择性好、灵敏度高、分析速长起来的高新技术。具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的
2、度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的特点；可以高度自动化、微型化与集成化，减少了对使特点；可以高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，在生物、医学、环境监测、食用者环境和技术的要求，在生物、医学、环境监测、食品、医药及国家安全等利用有着重要的应用价值。品、医药及国家安全等利用有着重要的应用价值。13.1 13.1 离子敏传感器离子敏传感器 1 MOS1 MOS管的结构和特性管的结构和特性S(Source)S(Source)：源极：源极G(Gate)G(Gate)：栅极：栅极D(Drain)D(Drain)：漏极：漏极B(Substrate):B(Substrat
3、e):衬底衬底工作原理：工作原理：N N沟道：当沟道：当UGS UGS 大于导通电压时，大于导通电压时，D-SD-S极导通；极导通；P P沟道：当沟道：当UGS UGS 小于导通电压小于导通电压0 0时，时，D-SD-S极导通；极导通；N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的特性管的特性 用半导体工艺制作的金属用半导体工艺制作的金属氧化物氧化物半导体场效应晶半导体场效应晶体管。场效应管是一种电压控制器件，工作时，只有一种体管。场效应管是一种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。常用的是绝缘栅载流子参与导电，因此它是单极型器件。常用的是绝缘栅增强型增强型 N N沟道
4、沟道场效应管。场效应管。-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid2 2 离子敏传感器的结构与工作原理离子敏传感器的结构与工作原理 离子敏传感器是由离子敏传感器是由MOSMOS场效应管发展过来，它的栅极与普场效应管发展过来，它的栅极与普通通MOSMOS管不太一样，在二氧化硅栅极内掺有对某些离子敏感的管不太一样，在二氧化硅栅极内掺有对某些离子敏感的重金属。离子敏传感器由离子敏感膜和转换器两部分构成，敏重金属。离子敏传感器由离子敏感膜和转换器两部分构成，敏感膜能够识别离子的种类和浓度，转换器将敏感膜感知的信息感膜能够识别离子的种类和浓度，转换器将敏感膜感知的信息转换为电信号。转换为电信号。M
5、OSFETMOSFET场效应管是利用金属栅上所加电压大小来控制漏源电场效应管是利用金属栅上所加电压大小来控制漏源电流的；流的；ISFETISFET则是利用其对溶液中离子有选择作用而改变栅极则是利用其对溶液中离子有选择作用而改变栅极电位，以此来控制漏源电流变化的。敏感膜涂覆在电位，以此来控制漏源电流变化的。敏感膜涂覆在MOSMOS管的栅管的栅极，对某些离子存在时改变栅极电位。极，对某些离子存在时改变栅极电位。离子场效应管的结构示意图离子场效应管的结构示意图外围共源电路外围共源电路ISFETISFET具有以下特点：具有以下特点：(1)ISFET(1)ISFET具有具有MOSFETMOSFET一样的
6、输入阻抗高、输出阻抗低的特点。一样的输入阻抗高、输出阻抗低的特点。(2)ISFET(2)ISFET是全固态化结构，体积小、重量轻、机械强度高。是全固态化结构，体积小、重量轻、机械强度高。(3)(3)敏感膜很薄，敏感膜很薄，100nm100nm。水化时间很短。水化时间很短,响应速度很快。响应速度很快。(4)ISFET(4)ISFET是利用半导体集成电路工艺制造的，易将信息转换是利用半导体集成电路工艺制造的，易将信息转换放大与敏感器件集成在一块芯片上，系统智能化、小型化。放大与敏感器件集成在一块芯片上，系统智能化、小型化。(5)(5)由由ISFETISFET的结构特点可见，离子敏感材料与场效应晶体
7、管的的结构特点可见，离子敏感材料与场效应晶体管的漏源之间是互相绝缘的，是依靠敏感膜与绝缘体界面电位变化漏源之间是互相绝缘的，是依靠敏感膜与绝缘体界面电位变化来控制沟道中漏源电流变化的。来控制沟道中漏源电流变化的。3 ISFET3 ISFET的特点和参数的特点和参数 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MOSFETMOSFET）和离）和离子敏场效应晶体管（子敏场效应晶体管（ISFETISFET）的比较）的比较离子敏场效应管参数：离子敏场效应管参数：1 1、线性度。、线性度。2 2、动态响应。、动态响应。3 3、迟滞。、迟滞。4 4、选择系数。、选择系数。4 ISFET
8、4 ISFET的应用的应用 ISFETISFET可以用来测量离子敏电极所不能测量的生物体可以用来测量离子敏电极所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领中的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工自控、矿山、地质、土壤、水文以及家庭生活等各自控、矿山、地质、土壤、水文以及家庭生活等各个方面都有其作用。个方面都有其作用。(1)(1)对生物体液中无机离子的检测。对生物体液中无机离子的检测。(2)(2)在环境保护中的应用。在环境保护中的应用。(3)(3)在其它方面的应用。在其它方面的应用。13
9、.2 13.2 半导体气敏传感器半导体气敏传感器1 1 半导体气敏传感器的分类半导体气敏传感器的分类 按气按气电转换分类，有金属氧化物半导体式、接触燃烧式、电转换分类，有金属氧化物半导体式、接触燃烧式、热传导式、固体电解式、恒电位电解式、伽伐尼电池式、热传导式、固体电解式、恒电位电解式、伽伐尼电池式、光电干涉式以及红外线吸收式等。光电干涉式以及红外线吸收式等。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控
10、制型两大类面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两大类 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两大类面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两大类 2 2 半导体气敏传感器的工作原理半导体气敏传感器的工作原理 敏感元件为敏感元件为MOSMOS结构，分为结构，分为N N型、型、P P型和混合型三种。型和混合型三种。敏感部分是敏感部分是MOSMOS微晶烧结体，当它的表面吸附被检测微晶烧结体，当它的表面吸附被检测气体时，接触介面的导电电子比例就会发生变化，气体时，接触介面的导电电子比例就会发
11、生变化，使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而改变。使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而改变。当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N N型半导体上，或还原型气体吸型半导体上，或还原型气体吸附到附到P P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻值型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻值增大。相反，当还原型气体吸附到增大。相反，当还原型气体吸附到N N型半导体上，或型半导体上，或氧化型气体吸附氧化型气体吸附P P型半导体上时，将使载流子增多，型半导体上时，将使载流子增多，使电阻值下降。使电阻值下降。半导体半导体气敏元气敏元件检测件检测到气体到气体时电阻时电阻值发生值发生变化。变化。3 3 半导
12、体气敏传感器的结构及特性半导体气敏传感器的结构及特性(1)SnO(1)SnO2 2气敏传感器气敏传感器 结构如图，它主要由结构如图，它主要由SnOSnO2 2 烧结烧结体、加热器、电极引线、塑料底座体、加热器、电极引线、塑料底座及不锈钢丝网罩等部分组成。及不锈钢丝网罩等部分组成。SnOSnO2 2 气敏元件的主要特性参数如下：气敏元件的主要特性参数如下：固有有电阻固有有电阻R0R0和工作电阻和工作电阻RS RS 灵敏度灵敏度S S 响应时间响应时间testes恢复时间恢复时间tec tec 回路电压回路电压UC UC 洁净空气中的电压洁净空气中的电压U0 U0 标定气体中的电压标定气体中的电压
13、UCS UCS 电压比电压比KV KV 加热电阻加热电阻RHRH和加热功率和加热功率PHPH(2)Fe(2)Fe2 2 O O3 3 系气敏传感器系气敏传感器FeFe2 2 O O3 3 气敏传感器：气敏传感器：示意图如下。示意图如下。这种传感器对丙烷很敏感，但对甲烷不很敏感。这种传感器对丙烷很敏感，但对甲烷不很敏感。FeFe2 2 O O3 3 气敏传感器：气敏传感器：示意图如下示意图如下它对甲烷和异丁烷很敏感，但对水蒸气和乙醇不灵敏。它对甲烷和异丁烷很敏感，但对水蒸气和乙醇不灵敏。4 4 接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器 在铂丝线圈上涂有氧化铝制成球状物烧结，再在外表面敷设在铂丝线
14、圈上涂有氧化铝制成球状物烧结，再在外表面敷设铂（铂（PtPt）、钯（）、钯（PdPd）和铑（）和铑（RhRh）等稀有金属催化剂。）等稀有金属催化剂。测量电路为电桥，测量电路为电桥，气敏传感器主要用在可燃性气体测量及泄漏报警等装置上。气敏传感器主要用在可燃性气体测量及泄漏报警等装置上。5 5 电化学式气敏传感器电化学式气敏传感器 恒电位电解式传感器：工作原理是通过隔膜，将扩散吸恒电位电解式传感器：工作原理是通过隔膜，将扩散吸收到电解液中的被测气体，使其电解来检测气体浓度，该电收到电解液中的被测气体，使其电解来检测气体浓度，该电解作用是在从外部加了特定电位的电极表面上进行的，只要解作用是在从外部加
15、了特定电位的电极表面上进行的，只要测定加在电极上的电位，可确定被测气体特有的电解电位。测定加在电极上的电位，可确定被测气体特有的电解电位。这种传感器的工这种传感器的工作原理是将透过隔膜作原理是将透过隔膜而扩散吸收到电解液而扩散吸收到电解液中的被测气体进行电中的被测气体进行电解，测量电解时所形解，测量电解时所形成的电解电流，就可成的电解电流，就可知道被测气体的浓度，知道被测气体的浓度，由于各种被测气体的由于各种被测气体的固有电解电位是确定固有电解电位是确定的，不能任意选择，的，不能任意选择，选择被测气体受到限选择被测气体受到限制。制。6 6 红外线气敏传感器红外线气敏传感器 工作原理：由两个以上
16、不同原子构成的气体分子，具有偶工作原理：由两个以上不同原子构成的气体分子，具有偶极矩，当红外波段的光线照射它时，产生核间隔振动性的变化极矩，当红外波段的光线照射它时，产生核间隔振动性的变化运动和整运动和整个分子绕一个轴作个分子绕一个轴作回转运动的能级迁回转运动的能级迁移，吸收取决于该移，吸收取决于该分子结构的特定波分子结构的特定波长的光。测量这种长的光。测量这种吸收光谱，则可判吸收光谱，则可判别气体分子的种类；别气体分子的种类；测吸收强度就可知测吸收强度就可知道被测气体的浓度道被测气体的浓度 它的测量原理是利用固体电解质的氧离子导电特性。它的测量原理是利用固体电解质的氧离子导电特性。7 7 固
17、体电解质氧所传感器固体电解质氧所传感器 8 8 电阻式气敏传感器电阻式气敏传感器 电阻式气敏传感器是根据具有还原性的气体的浓度增加电阻式气敏传感器是根据具有还原性的气体的浓度增加时时,其电阻值变小的原理而工作的。其电阻值变小的原理而工作的。9 9 氢敏氢敏MOS MOS 场效应管场效应管 氢敏氢敏MOSMOS场效应管的栅极用钯。场效应管的栅极用钯。10 10 气敏传感器的应用气敏传感器的应用(1)(1)家用煤气、液化石油气泄漏报警器家用煤气、液化石油气泄漏报警器(2)(2)瓦斯报警器瓦斯报警器 适用于小型煤矿和家庭。它由气敏元件和电位器适用于小型煤矿和家庭。它由气敏元件和电位器RWRW组成气组
18、成气敏检测电路，敏检测电路，555555和其外围元件组成多谐振荡器。和其外围元件组成多谐振荡器。(3)(3)酒精测试仪酒精测试仪用来探测汽车尾气的浓度，也常用来制作酒精测试仪。用来探测汽车尾气的浓度，也常用来制作酒精测试仪。(4)(4)自动换气扇自动换气扇 采用气体传感器对厨房内的的可燃性气体进行检测，根采用气体传感器对厨房内的的可燃性气体进行检测，根据检测结果对换气扇进行控制的一种自动装置。它由气敏传据检测结果对换气扇进行控制的一种自动装置。它由气敏传感器、感器、TWH8751TWH8751开关集成电路、电源及换气扇等组成。开关集成电路、电源及换气扇等组成。(5)(5)自动抽油烟机自动抽油烟
19、机自动抽油烟机能感知厨房的油烟等所造成的室内空气污染，自动抽油烟机能感知厨房的油烟等所造成的室内空气污染，并自动开启排风扇，排除油烟等有害气体，净化室内空气。并自动开启排风扇，排除油烟等有害气体，净化室内空气。1 1 湿度与湿敏传感器的分类湿度与湿敏传感器的分类 (1)(1)湿度湿度湿度湿度:大气中的水蒸汽的含量，即空气的干湿程度。大气中的水蒸汽的含量，即空气的干湿程度。绝对湿度绝对湿度:以每以每1m31m3大气所含水气的克数来表示。大气所含水气的克数来表示。相对湿度相对湿度:绝对湿度与饱和湿度之比。绝对湿度与饱和湿度之比。饱和湿度饱和湿度:指被测媒质的单位体积可能储水蒸汽的最大量。指被测媒质
20、的单位体积可能储水蒸汽的最大量。露点露点:保持压力下降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而保持压力下降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露时的温度，称为露点温度（单位为开始结露时的温度，称为露点温度（单位为0C0C）。）。13.3 13.3 湿敏传感器湿敏传感器(2)(2)湿敏传感器的分类湿敏传感器的分类 水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的这种特水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的这种特性称之为水分子亲和力。利用这一特性制成的湿敏传感器称性称之为水分子亲和力。利用这一特性制成的湿敏传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿敏为水分子亲和力型传感器。而把与水分子
21、亲和力无关的湿敏传感器称为非水分子亲和力型传感器。传感器称为非水分子亲和力型传感器。(3)(3)对湿敏传感器的基本要求对湿敏传感器的基本要求能满足所要求的湿度测量范围，且响应迅速能满足所要求的湿度测量范围，且响应迅速在各气体环境中特性稳定。在各气体环境中特性稳定。受温度的影响小，能在受温度的影响小，能在-30-30100100的环境温度中使用。的环境温度中使用。不受尘埃附着的影响。不受尘埃附着的影响。工作可靠工作可靠,互换性好互换性好,制造简单，价格便宜。制造简单，价格便宜。2 2 水分子亲和力型湿敏传感器水分子亲和力型湿敏传感器 (1)(1)碳膜湿敏传感器碳膜湿敏传感器 在绝缘的聚苯乙烯基片
22、上制备两个电极，然后在电极之间在绝缘的聚苯乙烯基片上制备两个电极，然后在电极之间喷涂一层含有碳粉粒的有机胶状纤维素湿膜。喷涂一层含有碳粉粒的有机胶状纤维素湿膜。(2)(2)电解质湿敏传感器电解质湿敏传感器湿敏电阻元件为氯化锂湿敏电阻。湿敏电阻元件为氯化锂湿敏电阻。(3)(3)高分子湿敏传感器高分子湿敏传感器电容式湿敏传感器电容式湿敏传感器 高分子醋酸纤维有机电容式湿敏传感器基本上是一个电容高分子醋酸纤维有机电容式湿敏传感器基本上是一个电容器，利用其电容值随湿度变化的原理进行湿度测量。器，利用其电容值随湿度变化的原理进行湿度测量。树脂湿度传感器树脂湿度传感器加在树脂湿度传感器上的电压要低于加在树
23、脂湿度传感器上的电压要低于0.8V0.8V，防止水电解。，防止水电解。压电晶体湿敏传感器压电晶体湿敏传感器 涂敷在压电晶体上的覆盖薄膜有四种：聚合物硫酸；涂敷在压电晶体上的覆盖薄膜有四种：聚合物硫酸；SiOXSiOX；按一定比例配制的环氧树脂；醋酸纤维。；按一定比例配制的环氧树脂；醋酸纤维。应用这种传感器应注意：应用这种传感器应注意：压电晶体湿度传感器的输出量是数字量；压电晶体湿度传感器的输出量是数字量；压电晶体尺寸不宜选得太大；压电晶体尺寸不宜选得太大；。要选择合适的薄膜。要选择合适的薄膜。电阻式湿敏传感器电阻式湿敏传感器 它使用高分子固体电解质材料作感湿膜，利用导电性高分它使用高分子固体电
24、解质材料作感湿膜，利用导电性高分子对水蒸汽的物理吸附作用引起电导率变化的原理工作的。子对水蒸汽的物理吸附作用引起电导率变化的原理工作的。(4)(4)金属氧化物膜湿敏传感器金属氧化物膜湿敏传感器 利用利用FeFe2 2O O3 3、FeFe3 3O O4 4、AlAl2 2O O3 3 等研制金属氧化物膜湿敏传感器。等研制金属氧化物膜湿敏传感器。电阻式湿敏传感器和金属氧化物膜湿敏传感器结构一样电阻式湿敏传感器和金属氧化物膜湿敏传感器结构一样 (5)(5)金属氧化物陶瓷湿敏传感器金属氧化物陶瓷湿敏传感器MgCr2O4-TiO2MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器陶瓷湿敏传感器 多孔陶瓷材料表面吸
25、收水分三个阶段多孔陶瓷材料表面吸收水分三个阶段1MgCr2O4-TiO21MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器结构特性陶瓷湿敏传感器结构特性NiONiO陶瓷湿敏传感器陶瓷湿敏传感器3 3 非水分子亲和力型湿敏传感器非水分子亲和力型湿敏传感器(1)(1)热敏电阻式湿敏传感器热敏电阻式湿敏传感器热敏电阻式湿敏感器的输出电压与绝对湿度成正比。热敏电阻式湿敏感器的输出电压与绝对湿度成正比。传感器不用湿敏功能材料，因而不存在滞后误差。传感器不用湿敏功能材料，因而不存在滞后误差。理论上看，传感器的测湿响应速度应该是极其迅速的。理论上看，传感器的测湿响应速度应该是极其迅速的。很难在宽的范围内电桥调平衡，湿
26、敏传感器成本较高。很难在宽的范围内电桥调平衡，湿敏传感器成本较高。(2)(2)红外线吸收式湿敏传感器红外线吸收式湿敏传感器 水蒸汽可以吸收某波长的红外线，利用这个现象能够制成红水蒸汽可以吸收某波长的红外线，利用这个现象能够制成红外吸收式湿敏传感器。光源发出的红外光经调制器调制后入外吸收式湿敏传感器。光源发出的红外光经调制器调制后入射至待测空气，光束穿过待测空气后被光敏元件接收。射至待测空气，光束穿过待测空气后被光敏元件接收。(3)(3)超声波式湿敏传感器超声波式湿敏传感器 传感器的基本结构是在对置的超声波换能器之间加设一传感器的基本结构是在对置的超声波换能器之间加设一个温度传感器。超声波换能器
27、之一发送超声波，另一只接收个温度传感器。超声波换能器之一发送超声波，另一只接收超声波。超声波。(4)(4)微波水分传感器微波水分传感器 微波水分传感器是利用微波在水蒸汽的空气中传播，微波水分传感器是利用微波在水蒸汽的空气中传播，水汽吸收微波使其产生损耗而制成的。水汽吸收微波使其产生损耗而制成的。4 4 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用(1)(1)电容式谷物水分测试仪电容式谷物水分测试仪(2)(2)湿度检测器湿度检测器(3)(3)花盆缺水指示器花盆缺水指示器(4)(4)仓储湿度控制电路仓储湿度控制电路13.4 13.4 电化学传感器电化学传感器 1 1 结构原理结构原理 传感器的结构如图。它由传
28、感器的结构如图。它由电解池、垫圈、吹管、参比电解池、垫圈、吹管、参比电极及波纹管吹气装置组成电极及波纹管吹气装置组成的。的。1-1-参比电极参比电极2-2-吹管吹管3-3-电解液电解液4-4-电解池（阴极）电解池（阴极）5-5-垫圈垫圈6-6-镀层（阳极）镀层（阳极）7-7-波纹管吹气装置波纹管吹气装置 2 2 主要部件主要部件(1)(1)参比电极：参比电极：是用一根清洁的纯银丝制成。当银丝和含是用一根清洁的纯银丝制成。当银丝和含有酸性氯化物的电解溶液接触时，在银丝上就有酸性氯化物的电解溶液接触时，在银丝上就会形成氯化银膜。要防止电极表面被会形成氯化银膜。要防止电极表面被“毒化毒化”。(2)(2)吹管和空气搅拌器是电位测量的辅助部件。吹管和空气搅拌器是电位测量的辅助部件。(3)(3)电解池（阴极）和垫圈的要求电解池（阴极）和垫圈的要求:电解池必须电解池必须保持清洁，而且没有过多镀层金属堆积。保持清洁，而且没有过多镀层金属堆积。
