《化学传感器》PPT课件.ppt

第13章 化学传感器,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的传感器称作化学传感器。由于化学物质种类繁多，因此化学传感器的种类和数量也很多，各种转换器件的转换原理也各不相同，并且由于转换机理相对比较复杂，因而化学传感器远不如物理传感器那样成熟和普及。但是，随着科学技术的发展，尤其是人类对环保的需要，人们对化学传感器的需求日益增多，化学传感器也就显得日益重要。因此，了解化学传感器是很有必要的。本章主要介绍离子敏、气敏、湿敏和电化学传感器。,一、离子敏传感器,（一）MOSFET场效应管的结构与特性用半导体工艺制作的金属氧化物半导体场效应晶体管的典型结构如图131所示。,（二）离子敏传感器的结构与工作原理,离子敏传感器由离子敏感膜和转换器两部分构成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。如图133所示。如图134（a）所示为离子场效应管的结构示意图。MOSFET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；ISFET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。,（三）ISFET的特点和参数,ISFET具有以下特点：1、ISFET具有MOSFET一样的输入阻抗高、输出阻抗低的特点。2、ISFET是全固态化结构，因此具有体积小、重量轻、机械强度高等特点。3、敏感膜可做得很薄，一般可小于100nm。这可使ISFET的水化时间很短，从而使离子活度的响应速度很快，响应时间可小于1S。4、由于ISFET是利用半导体集成电路工艺制造的，易将信息转换部分和信号放大检出部分与敏感器件集成在一块芯片上，实现整个系统智能化、小型化和全固态化。5、由ISFET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来控制沟道中漏源电流变化的。离子敏场效应管具有以下参数：1、线性度。2、动态响应。3、迟滞。4、选择系数。,（四）ISFET的应用,ISFET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个方面都有其作用。（1）对生物体液中无机离子的检测。（2）在环境保护中的应用。（3）在其它方面的应用。,二、半导体气敏传感器,（一）半导体气敏传感器的分类按气电转换分类，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、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。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 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 电阻型半导体气敏传感器利用半导体接触气体时，气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值的改变来检测气体的成份和浓度；非电阻型半导体气敏传感器根据其对气体的吸附和反应，使其某些特性变化对气体进行直接或间接检测。,（二）半导体气敏传感器的工作原理,半导体气敏传感器的敏感元件采用金属氧化物半导体材料，它分为N型、P型和混合型三种。半导体气敏元件的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附被检测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而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N型半导体上，或还原型气体吸附到P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N型半导体上，或氧化型气体吸附P型半导体上时，将使载流子增多，使电阻值下降。图136描述了半导体气敏元件吸附被测气体时电阻的变化情况。,（三）半导体气敏传感器的结构及特性,1、SnO2气敏传感器其结构如图137所示，它主要由SnO2烧结体、加热器、电极引线、塑料底座及不锈钢丝网罩等部分组成。SnO2气敏元件的主要特性参数如下：（1）固有有电阻R0和工作电阻RS。（2）灵敏度S。（3）响应时间tes。（4）恢复时间tec。（5）加热电阻RH和 加热功率PH。（6）洁净空气中的 电压U0。（7）标定气体中的 电压UCS。（8）电压比KV。（9）回路电压UC。,2、Fe2O3系气敏传感器,（1）Fe2O3气敏传感器：外形如图139所示。这种传感器对丙烷很敏感，但对甲烷不很敏感。,（2）Fe2O3气敏传感器 其结构如图1310所示。它对甲烷和异丁烷很敏感，但对水蒸气和乙醇不灵敏。,（四）接触燃烧式气敏传感器,结构如图1311所示。在铂丝线圈上涂有氧化铝等材料制成球状物进行烧结，再在外表面敷设铂（Pt）、钯（Pd）和铑（Rh）等稀有金属催化剂。测量电路为电桥，如图1311（B）所示，接触燃烧式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。特点是精度高、线性好、寿命长、速度快，且又不受环境温度影响。,（五）电化学式气敏传感器,1、恒电位电解式传感器。图13-12为传感器的结构示意图。其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，只要测定加在电极上的电位，即可确定被测气体特有的电解电位，,如图13-13所示，这种传感器的工作原理是将透过隔膜而扩散吸收到电解液中的被测气体进行电解，测量电解时所形成的电解电流，就可知道被测气体的浓度，由于各种被测气体的固有电解电位是确定的，不能任意选择，所以，选择被测气体受到限制。,（六）红外线气敏传感器,结构如图13-14所示，其工作原理是，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运动和整个分子绕一个轴作回转运动的能级迁移，吸收取决于该分子结构的特定波长的光。测量这种吸收光谱，则可判别气体分子的种类；测吸收强度就可知道被测气体的浓度,结构如图13-15所示。它的测量原理是利用固体电解质的氧离子导电特性。曲线如图13-16所示。,（七）固体电解质氧所传感器,（八）电阻式气敏传感器,电阻式气敏传感器结构如图13-17所示,它是根据具有还原性的气体的浓度增加时,其电阻值变小的原理而工作的。如图13-18所示为专门为提高使用气体的安全性而研制的电路.这个电路主要由气敏传感器、蜂呜器、变压器、指示灯等元件组成。,（九）氢敏MOS 场效应管,1、原理与结构如图1319所示。氢敏MOS场效应管的栅极用钯（Pd），故又称氢敏场效应管为PdMOSFET。阀值电压变化的测量电路如图1320所示。,2、MOSFET气敏传感器的特性,（1）灵敏度 气敏MOSFET的灵敏度指器件阀值电压与气体浓度的关系，如图1321 所示。（2）温度特性。图1322为不同温度下，Pd栅气敏MOSFET对氢气的灵敏度。,（3）响应特性。如图1323所示，氢扩散系数随器件温度的增大而增大。（4）稳定性。图1324为气敏传感器在不同含量的氢气中，经过18h循环处理后的特性曲线。,（十）气敏二极管,1、PdTiO2气敏二极管。这是一种金属半导体接触元件，用金属钯Pd）和半导体材料二氢化钛（TiO2）制成，使其金属半导体界面能够吸收气体，从而影响半导体禁带宽度，则二极管的单向导电性会因气体浓度不同而发生变化，由此便可检测气体。,2、PdMOS气敏二极管 PdMOS气敏二极管如图1325（a）所示，在P型Si上利用热氧化工艺生成一层厚度为50100nm的二氧化硅（SiO2），然后用蒸发溅射工艺在SiO2层上形成一层薄薄的钯（Pd）膜，便制成了PdMOS气敏二极管。,（十一）气敏传感器的应用,1、家用煤气、液化石油气泄漏报警器图1326所示为一种简单、廉价的家用煤气、液化石碑气报警电路。该电路能承受较高的的交流电压，因此，可直接由220V市电供电，且不需要再加复杂的放大电路，就能驱动峰鸣器等来报警。,2、实用瓦斯报警器实用瓦斯报警器的电路如图1327所示，适用于小型煤矿和家庭。它由气敏元件和电位器RW组成气敏检测电路，555和其外围元件组成多谐振荡器。,3、实用酒精测试仪实用酒精测试仪的电路如图1328所示。其中气敏传感器采用TGS812，它对一氧化碳和酒精比较敏感，常被用来探测汽车尾气的浓度，也常用来制作酒精测试仪。只要被测者向传感器探头吹口气，便可显示出醉酒的深度，确定被试者是否还适宜驾驶车辆。,4、城市煤气报警器如图1329所示。经过单片机处理机对信号进行处理，可分别对甲烷、一氧化碳、酒精等发出报警信号。,5、自动换气扇如图1330所示，自动换气扇是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。它由气敏传感器、TWH8751开关集成电路、电源及换气扇等组成。,6、自动抽油烟机电路如图1331所示。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。,三、湿敏传感器（一）湿度与湿敏传感器的分类,1、湿度湿度是指大气中的水蒸汽的含量，即空气的干湿程度。以每1m3大气所含水气的克数来表示，称之为大气的绝对湿度（AH）。相对湿度指绝对湿度与饱和湿度之比。饱和湿度指被测媒质的单位体积容器可能储水的最大量。保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度（单位为0C），通常称为露点。,2、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性称之为水分子亲和力。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传感器称为非水分子亲和力型传感器。,3、对湿敏传感器的基本要求（1）能满足所要求的湿度测量范围，且响应迅速（2）在各气体环境中特性稳定。（3）受温度的影响小，能在-301000C的环境温度中使用。（4）不受尘埃附着的影响。（5）工作可靠。互换性好，使用寿命长。（6）制造简单，价格便宜。,（二）水分子亲和力型湿敏传感器,1、碳膜湿敏传感器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，便构成了碳膜湿敏传感器，如图1333（a）所示。,2、电解质湿敏传感器湿敏电阻元件，其结构如图1334（a）所示。氯化锂湿敏电阻的阻值湿度特性如图1134（b）所示。,3、高分子湿敏传感器,（1）电容式湿敏传感器高分子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。醋酸纤维有机膜湿敏传感器的结构如图1335（a）所示。电容值与相对湿度之间的关系如图1335（b）所示。,（2）树脂湿度传感器其特性如图1336（a）所示。图1336（b）为其测量电路图，使用结露传感器时应注意：不能施加0.8 V以上的电压，须将电压控制在发生水电解电压以下；为延长传感器寿命，电路设计也应保守一点，耗电应控制在0.2mW以内；结露传感器的热容量最好与被测物的热容量一致 不能让元件的使用环境处于特殊状态；,（3）电阻式湿敏传感器如图1337（a）。它主要使用高分子固体电解质材料作感湿膜，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。传感器的电阻值与相对湿度的关系曲线如图1337（b）所示。,（4）压电晶体湿敏传感器如图1338所示。涂敷在压电晶体上的覆盖薄膜目前有四种：聚合物硫酸；SiOX；按一定比例配制的环氧树脂；醋酸纤维。它们都满足以下要求：在很广的测量范围内，灵敏度高，线性很好，响应时间短；选择性好，即对水分子吸收性好，对其它物质分子不吸收；稳定性高；薄膜的覆盖方法简单应用这种传感器应注意如下几个问题：要选择合适的薄膜。压电晶体尺寸不宜选得太大，压电晶体湿度传感器的输出量是数字量，,4、金属氧化物膜湿敏传感器 利用三氧化二铁（Fe2O3）、四氧化三铁（Fe3O4）、三氧化二铝（Al2o3）、三氧化二镁（Mg2O3）、氧化锌（ZnO）及 二氧化钛（TiO2）等金属氧化物 可以研制出多种金属氧化物膜湿 敏传感器。其结构如图1337（a）所示。,5金属氧化物陶瓷湿敏传感器,（1）MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器的基本物理特性：多孔MgCr2O4-TiO2陶瓷材料表面吸收水分的情形，可分三个阶段：如图1340所示。MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿度传感器MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿度传感器结构如图1341（a）所示。陶瓷湿敏传感器的特点,（2）NiO陶瓷湿敏传感器其结构及外形如图1342所示,（3）ZnO-Cr2O3陶瓷湿 敏传感器其结构如图1343所示。,（三）非水分子亲和力型湿敏传感器1、热敏电阻式湿敏传感器,（1）原理及绝对湿度测量图1344（a）所示为热敏电阻式湿敏传感器的桥路，热敏电阻R1、R2是电桥的两个臂。电源E所供电流的焦尔热使处于工作状态的R1、R2保持在200度左右的温度。R1、R2的组装结构如图示1344（b）。,（2）性能与特点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。从理论上看，传感器的测湿响应速度应该是极其迅速的。很难在较宽的范围内将电桥调平衡，从而导致湿敏传感器成本较高。,2、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外吸收式湿敏传感器。图1347为红外线吸收式湿敏传感器的原理图，从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。,3、超声波式湿敏传感器用图1348所示方法可以测得空气绝对湿度，经变换可测出相对湿度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。超声波换能器之一发送超声波（图中未画），另一只则接收超声波（即图中的超声波换能器）。,4、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，水汽吸收微波使其产生损耗而制成的。其工作原理示意图于图1349。,（四）湿敏传感器的应用 1、电容式谷物水分测试仪,谷物水分测试仪采用筒式电容水分传感器，将谷物装入传感器筒内，其介电常数随谷物水分含量不同而不同。测试仪的框图如图1350（a），其原理电路图如图1350（b）所示。,2、湿度检测器图1351是湿度检测器电路图，其中CH为电容式湿度传感器。由555时基电路、湿敏传感器CH等组成的多谐振荡器的输出端接有电容器C2，它将3端输出的方波信号变为三角波。,3、花盆缺水指示器图1352是花盆缺水指示器电路，埋在盆中的两个电极组成湿敏传感器，当盆中土壤缺水时，土壤的电阻率增大很多，这时两电极之间的电阻值很大，致使场效应管T1截止，三极管T2导通，电阻R4上产生较大的电压降，使555时基电路组成的振荡器开始工作。,4、汽车后窗玻璃 自动去湿装置玻璃自动去湿装置结构及原理如图1353所示。RL为嵌入玻璃的加热电阻丝；RH为设置在后窗玻璃上的湿敏传感器；,5、高湿显示器图1354是由MSO1A型湿敏电阻构成的高湿度显示电路。它能在环境相对湿度过高时做出显示，告知人们采取相应排湿措施。当环境湿度在20%90%RH变化时，湿敏电阻值在几十欧至几百欧范围内改变。,6、仓储湿度控制电路,图1355是仓诸湿度控制电路原理图。其中CH为湿度传感器，其电容随着环境相对湿度的增高而成比例地增大。由IC1a构成振荡频率为1KHz的多谐振荡器，其输出下沿脉冲触发IC1b构成单稳态电路，单稳输出脉冲的宽度正比于相对湿度。,7、简易秧棚湿度指示器原理电路如图1356所示，指示器的感湿部分由湿敏电阻RH、电位器RW和固定电阻R1、R2组成测湿电桥。,8、雏房湿度控制器图示1357是雏房控制器的电路原理图。其中湿敏传感器采用MSO1B型湿敏电阻RH，它的电阻值随相对湿度的变化而改变。,四、电化学传感器,1、结构原理传感器的结构如图1358所示。它是由电解池、垫圈、吹管、参比电极及波纹管吹气装置组成的。,2、主要部件（1）实现电位测量的关键部件参比电极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，在银丝上就会形成氯化银膜，即在测量过程中，氯化银膜会自动形成。对使用条件提出以下要求：应保证形成令人满意的氯化银膜。镍镀层的电化学电位易受SO2和S离子的影响，因此，必须注意避免使用含活泼硫化物的电解液（如NaSCN），以防电极表面被“毒化”。为避免电流流过参比电极，应对电压表及检测电路的输入阻抗提出一定要求。为了避免阳极表面极化产生误反应，应对电解液进行搅拌（2）吹管和空气搅拌器是电位测量的辅助部件。（3）对电解池（阴极）和垫圈的要求是，电解池必须保持清洁，而且没有过多镀层金属堆积，,