1、0101绪论绪论目目录录0202传感器的理论及技术基础传感器的理论及技术基础 0303物理量传感器物理量传感器0404化学传感器化学传感器0505生物传感器生物传感器0606微机电（微机电（MEMS）传感器传感器0707集成传感器集成传感器0808传感器在物联网中的应用传感器在物联网中的应用第四章化学传感器4.1 化学传感器概述 化学传感器是以各种化学物质（电解质、化学物、分子、离子等）为检测参数，利用一定的化学反应，将这些化学参量的状态或变化转化为电信号输出的装置，主要包括接收器和换能器。其中接收器具有化学敏感层的识别结构，换能器是可以进行信号转换的物理装置。图1 化学传感器示意图4.1 化
2、学传感器概述4.1.1 化学传感器的构成与分类 化学传感器的信号转换由单纯的电信号延伸到光信号、热信号等多个领域。化学传感器主要由化学物质敏感层和物理信号转换元件结合而成，化学物质敏感层对各种化学物质或化学试剂产生的刺激作出反应，物理信号转换元件则是负责将这种相互作用转换为有用电信号。根据所用信号转换技术的不同，化学传感器可以分为电化学传感器、光化学传感器和热化学传感器等。4.1 化学传感器概述1.电化学传感器 电化学传感器是将分析对象的化学信号转换成电信号的传感装置，目前被人们了解并且有所应用的电化学传感器有电量传感器、离子选择传感器、固体电解质传感器等。下表为电化学式传感器的分类。型式相关
3、物性材料检测对象优势和不足电化学式定点位电解气体扩散电极，电解质水溶液SO、NO、CO、H S、HCl、Cl、NO可检测气体品种多，功耗小，选择性好；但结构复杂，寿命短，信号处理复杂，成本高电量（电解电流）贵金属正负极，电解质水溶液聚四氟乙烯薄膜H S、NH、Cl离子电极（电极电位）离子选择电极，电解质水溶液聚四氟乙烯薄膜H S、SO、Cl、CO固体电解质固体电解质SO、CO，卤素气体表1 电化学式传感器分类4.1 化学传感器概述2.光化学传感器 光学传感器是建立在电磁辐射与物质相互作用的基础上的一种传感器设备，可以通过测量某些光学性质的变化来检测和确定物理或化学参数。表2 光化学传感器分类型
4、式相关物性材料检测对象优势和不足光化学式光干涉式折射率 所有气体精度高，选择性好，寿命长；但工艺不成熟，信号处理复杂，装置体积大，成本高红外线吸收式进光量LiTaOSO、NO、COCO 等气体紫外线吸收式进光量 被紫外光谱吸收的气体4.1 化学传感器概述3.热化学传感器 热化学转换本质上是一种通用方法，基于一种常见的化学反应，即通过放热反应产生的热量。化学反应的热效应由放热反应的标准焓表示。催化反应特别适合于化学传感器的应用，因为大量反应物可以在一个小的催化反应器中转化，从而产生局部的温度变化。这种效应可以用温度传感器来量化。稳态条件下，根据传感器的温度变化可以表明样品中分析物的浓度，而稳定状
5、态可以通过将流体样品以恒定的速率送入反应器来实现。热化学传感器在现代社会中得到了较为广泛的应用，这一类传感器应用的主要是物质在化学反应中会吸热或放热的特性，或是应用了不同物质具有不同的热导率、不同比热容等特性，产生输出信号。4.1 化学传感器概述4.1.2 化学传感器的主要性能衡量指标 化学量传感器有两个特征在化学检测中是独特而有意义的。化学传感器一般被用来鉴定和量化，因此需要对混合物中特定的目标具有选择性和敏感性。“选择性”描述的是一个传感器只对理想的目标物种做出反应的程度，对非目标物种几乎没有干扰。“敏感性”描述了设备可以成功和重复地检测到的最小浓度和浓度变化。不同类型的传感器也在不同方面
6、有着自己的优势，如电化学传感器选择性好，具有适中的检测极限，检测准确度能够满足日常大多数的需求，但是稳定性较差，需要一定的保护；光化学传感器在很多方面有优异的表现，但是比较昂贵，不适合大面积使用；热化学传感器稳定性好，但是精度较低。4.2 气体传感器4.2.1 气体传感器概述 气体传感器必不可少，它利用物理效应、化学反应等机理把气体的种类和浓度检测出来，并通过敏感芯片和转换部件转换成电信号。图2 气敏元件应用领域图4.2 气体传感器4.2.1 气体传感器概述 在设计气体传感器之前，要明确产品的最终用途，所以要考虑到应用的环境条件干扰因素、精度、使用寿命、外形以及可靠性要求。所以最终的传感器可以
7、只有单一的功能，也可以由不同功能的敏感元件构成一个复合传感器。气体传感器应该具备以下几个条件：（1）对待测气体具有较高的灵敏度和较宽的动态响应范围；（2）具有较快的响应速度；（3）长期工作稳定性好，寿命较长；（4）成本较低，维护方便。现代气体传感器分类主要以气敏特性来区分，主要可以分为半导体气体传感器、电化学式气体传感器、接触燃烧式气体传感器以及声表面波高分子气体传感器等。4.2 气体传感器4.2.2 半导体式气体传感器概述 半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，半导体的物理电导率发生明显变化来检测气体的，能够将感受到的气体转换成可用输出信号。同样能够改变半导体的电导率根据其反应原
8、理可以分为电阻式和非电阻式两种。类型物理特性敏感材料工作温度被测气体电阻型电阻表面电阻控制SnO,ZnO,In O室温-450可燃性气体体电阻控制TiO,SnO,MgO 300-450可燃性气体、乙醇非电阻型表面电位Ag O室温硫、醇二极管整流特性Pt/TiO室温-450氢气、一氧化碳场效应管特性铂栅场效应管150氢气、硫化氢表3 半导体气敏元件分类4.2 气体传感器4.2.2 半导体式气体传感器 由两个金属电极之间的半导体组成的气体传感器通常被称为半导体气体传感器。有时它们被称为均匀气体传感器，以区别于气体传感二极管和场效应晶体管等结构传感器。半导体气敏元件的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶
9、粒子烧结体，利用的是气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当气敏元件被加热到稳定状态时，若有被检测气体吸附，则被吸附的气体分子首先在表面自由扩散，失去自身运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留下来的分子产生热分解固定在吸附处，由于功函数的不同，最终形成正负离子的吸附。4.2 气体传感器4.2.2 半导体式气体传感器 电阻型半导体传感器的结构主要有三种：烧结型、薄膜型和厚模型。下图(a)为烧结型气敏传感器，图(b)为薄膜型气敏传感器 在传统电阻式半导体气体传感器中，SnO 材料是其中的代表，有时应用在监测大气层（通常是空气）中氧气分压有效保持不变的微量成分的浓度。在传感
10、器应用中，半导体材料通常以厚膜或薄膜的形式出现在包含金属膜电极和加热电阻的基片上。图3(a)烧结型气敏传感器图3(b)薄膜型气敏传感器 4.2 气体传感器4.2.3 其他类型传感器主要分类有增强型催化气体传感器、光学气体传感器和声波气体传感器（1）增强型催化气体传感器是一种采用主动测量技术，与简单的电化学电池相结合的传感装置。电化学电池由陶瓷-金属薄膜制成，为电位和电流测量提供了反应环境。增强催化装置分为电增强催化装置(电催化)和光增强催化装置(光催化)。（2）光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、光纤化学材料等。常用的光纤气体传感器利用了材料对特定的化合物敏感，并产生光学信息。例如，产
11、生荧光或发生颜色变化的材料。（3）声波气体传感器主要有体声波和声表面波两种，其中声表面波气体传感器具有结构简单、体积小、成本低。灵敏度高等优点，属于压电型传感器。主要利用的是声波产生的力作用，以压电效应为基础，将产生的声信号通过振幅、频率等参数的变化表现出来。4.2 气体传感器4.2.4 半导体气敏传感器的应用半导体气体传感器因其具有灵敏度高、响应时间短、使用寿命长等优点，得到了广泛应用分类检测对象应用场所爆炸性气体液化石油气甲烷可燃性煤气家庭煤矿办事处有毒气体一氧化碳（不完全燃烧煤气）硫化氢、含硫化合物卤素、卤化物、氨气等煤气灶特殊场所特殊场所环境气体氧气（防止缺氧）二氧化碳水蒸气（调节温度
12、）大气污染家庭、办公室家庭、办公室电子设备、汽车温室工业气体氧气（控制燃烧）一氧化碳（防止不完全燃烧）水蒸气（食品加工）发电机、锅炉房发电机、锅炉房灶台其他呼出气体中的酒精，烟等 表4 半导体气体传感器应用实例4.3 湿度传感器4.3.1 湿度传感器概述 湿度是指大气中水蒸气的含量。空气中的水分也是影响人和动物健康的重要因素，同时湿度也是操作某些设备的重要因素，例如高阻抗电子电路、静电敏感元件、高压器件、精细机械等。湿度可以用湿度计来测量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度（通常用AH表示）是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量。相对湿度（通常用RH表
13、示）是指在任何温度下空气的实际蒸汽压力与在相同温度下的饱和蒸汽压力的最大值之比。实际生产生活中更多还是使用相对湿度的概念。还可用露点来描述湿度。在压力一定的时候，将含水蒸气的空气进行冷却处理，当温度降至某一水平线时，空气中的水蒸气达到饱和状态，由气态变为液态，称为“结露”。能够使汽态水刚好变为液态水的温度就称为“露点”。4.3 湿度传感器4.3.1 湿度传感器主要特征参数（1）感湿特性（2）灵敏度（3）响应时间（4）湿度量程（5）感湿温度系数图4 湿度传感器感湿曲线图4.3 湿度传感器4.3.2 电容式湿敏传感器 电容式湿敏传感器一般为一个平板电容器结构，在一个绝缘基片上依次形成下电极、感湿薄
14、膜、上电极。感湿薄膜一般是高分子聚合物，对湿度具有较高的敏感度，能够吸收环境中的水分子使其介电常数发生变化。电容式传感器测量湿度是一个相当缓慢的过程，因为介电层吸收水分子需要时间。利用现代MEMS技术，通过缩小传感电容器的尺寸和增加介质材料的暴露面积，可以显著提高速度。4.3 湿度传感器4.3.2 电容式湿敏传感器 另一种发展较为成熟的是高分子电容式湿敏传感器。图5 高分子电容式湿敏传感器（a）结构图（b）感湿特性曲线（c）外形图 4.3 湿度传感器4.3.3 半导体陶瓷湿敏传感器 半导体陶瓷湿度传感器按其制作工艺不同可分为：烧结型、涂覆膜型、厚膜型、薄膜型和MOS型。涂覆膜型四氧化三铁涂覆膜
15、、氧化铝陶瓷烧结型三氧化钛-氧化物非加热式、锌-锂-钒式、MgCr2O4-TiO 系、ZnCrO4系厚膜型钨酸镍系、LiNbO3-PbO系非加热式薄膜型三氧化二铝绝对湿度、Ta-MnO2电容式MOS型MOS型电容式薄膜湿度传感器表5 半导体陶瓷湿敏传感器4.3 湿度传感器4.3.3 半导体陶瓷湿敏传感器 由MgCr2O4-TiO2固溶体组成的多孔性半导体陶瓷材料，其电阻率能在一定范围内随湿度增加而减小，因此属于负特性传感器。MgCr2O4-TiO2属于P型半导体，电阻率低，阻值温度特性较好。图6 MgCr2O4-TiO2系湿敏传感器结构4.3 湿度传感器4.3.3 半导体陶瓷湿敏传感器 MgC
16、r2O4-TiO2湿度传感器随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100RH时，阻值从107下降到104，即变化三个数量级。图7 感湿特性曲线图8 电阻湿度特性曲线4.3 湿度传感器4.3.3 半导体陶瓷湿敏传感器 国外已研制出不用电热清洗的陶瓷湿敏元件；ZnOCr2O3陶瓷湿敏元件就是其中的一种。主要是以氧化锌为为主要成分。图9 ZnOCr2O3陶瓷湿敏结构图4.3 湿度传感器4.3.4 结露传感器 结露传感器是一种特殊的湿度传感器，它仅对高湿敏感，感湿特征量具有开关式变化特性。在高湿下，电阻膜吸湿后膨胀，体积
17、增加，碳粉间距变大，引起电阻突变；而低湿时，电阻因电阻膜收缩而变小，在75%80%RH以下时，很平坦，而超过75%80%RH陡升。图10 结露传感器外形图图11 电阻型结露传感器特性曲线4.3 湿度传感器4.3.5 湿度传感器应用 湿度传感器应用面较广，例如水分检查仪和氧化铝厚膜露点湿敏器件。图12 水分检查仪电路图*4.4 离子传感器4.4.1 离子选择电极离子传感器 利用离子选择电极（Ion-Selective Electrode，ISE），将感受的离子转换成可用输出信号的传感器称为离子选择电极离子传感器，它利用固定在敏感膜上的粒子识别材料有选择性地结合被传感离子，使膜电位或膜电流改变。*
18、4.4 离子传感器4.4.1 液体离子交换剂膜电极 液体离子交换膜电极是利用对液体有选择交换离子的离子交换膜和离子交换剂等制成，离子交换膜是对离子具有选择透过性的高分子材料制成的薄膜，主要利用的是它的离子选择透过性，所以也被称为离子选择透过性膜。图13 液体离子交换剂膜电极示意图*4.4 离子传感器4.4.1 固态膜电极 固态膜由微溶盐制成的单晶小片制成。固态膜对某些被分析物质的离子有选择性，离子穿过引起固态膜的电导和膜两端的电位发生变化，从而可以检测出被测物质的质量摩尔浓度。图14 固态膜电极的一般结构*4.4 离子传感器4.4.1 固态膜电极 例如氟化镧（LaF3）膜是仅有的单晶膜，通过掺
19、杂使晶体的电阻率下降，表现出离子导电性，氟化镧对氟离子敏感。其他固态膜也有其对应敏感的离子。表6 常用的固态离子选择电极的膜组成及敏感的被分析离子*4.4 离子传感器4.4.1 玻璃电极 玻璃电极是最熟悉也是最常用的pH指示电极，是用玻璃薄膜制成的对氢离子活度有电势响应的膜电极，是最常用的氢离子指示电极。玻璃电极测量氢离子活度采用电位分析法，电位分析法所用电极称为原电池。原电池的作用是使化学反应能转换为电能，此电池的电压称为电动势。pH电极是pH计上与被测物质接触的部分，用来测电极电位。图15 玻璃电极结构*4.4 离子传感器4.4.2 场效应管离子传感器 利用场效应管栅极敏感膜，将感受的溶液
20、中的某给定离子活度转换为可用输出信号的传感器称为场效应管离子传感器。离子选择场效应晶体管（ISFET）由离子选择电极（ISE）敏感膜和场效应晶体管（MOSFET）组合而成，是对离子具有一定选择性的器件。对比一般的离子选择性电极，它具有高阻抗转换的优点，并具有放大功能。能否有效选择离子选择膜，是一个ISFET好坏与否的关键。膜分为无机膜和有机膜，其中有机膜的应用较为广泛，主要应用在生化和医学领域。课后习题1.简述化学传感器的结构和作用。2.什么是绝对湿度？什么是相对湿度？3.什么是露点？说明氧化铝露点湿度传感器的原理及性能优势。4.某农场要求整体蔬菜大棚的相对湿度不能低于50RH，但是也不能高于65RH，同时作物的要求温度不能变化超过5摄氏度，那这个大棚的感湿温度系数是多少？5.某厂家生产的电容湿度传感器，其感湿温度系数为5到8，最佳使用环境20至25，湿空气压力为100kPa，20和25的饱和水蒸气压力分别为2.33kPa和3.17kPa，则在最佳使用环境下传感器两板间的空气介电常数变化范围是多少？
