化学传感器PPT

化学传感器Chemosensor汇报人：肖慧思汇报日期：2018.11.07CONTENTS汇报内容PART01分类PART03应用PART02工作原理按传感方式分分离型传感器•如离子传感器，液膜或固体膜具有接受器功能，膜完成电信号的转换功能，接受和转换部位是分离的，有利于对每种功能分别进行优化;组装一体化传感器•如半导体气体传感器，分子俘获功能与电流转换功能在同一部位进行，有利于化学传感器的微型化。-4-按检测对象湿度传感器生物传感器气体传感器离子传感器将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。利用离子选择电极，将感受的离子量转换成可用输出信号的传感器。离子传感器的作用离子传感器用于测量水溶液样本中选定离子的浓度。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器-5-气体传感器类型原理检测对象特点半导体式若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、丙烷气等灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例接触燃烧式可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大燃烧气体输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等气体选择性好，但不能重复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象与空气折射率不同的气体，如CO2等寿命长，但选择性差热传导式根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测与空气热传导率不同的气体，如H2等构造简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高-6-半导体式气敏传感器电阻式烧结型薄膜型厚膜型二极管气敏传感器MOS二极管气敏传感器Pd—MOSFET气敏传感器非电阻式利用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。当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。工作原理-7-100550加热开关大气中2min4min吸气时还原型氧化型稳定状态器件加热响应时间约1min以内器件电阻/kN型半导体吸附气体时器件阻值变化图-8-烧结型烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。(a)结构(b)符号图15.7　旁热式气敏器件的结构和符号测量电极加热丝电极电极电极绕结体加热器陶瓷绝缘管电极直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板。旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料，就构成了器件。克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高-9-薄膜型制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等图15.8薄膜型气敏器件的结构加热器电极基片氧化物半导体单位：mm引线引线引线引线电极-10-厚膜型厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与3％～15％重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产-11-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，再在外表面敷设铂（Pt）、钯（Pd）和铑（Rh）等稀有金属催化剂。•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。-12-红外线气敏传感器工作原理：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-13-气敏传感器的应用(1)家用煤气、液化石油气泄漏报警器(2)瓦斯报警器适用于小型煤矿和家庭(3)酒精测试仪用来探测汽车尾气的浓度(4)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，根据检测结果对换气扇进行控制的一种自动装置.(5)自动抽油烟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，并自动开启排风扇，排除油烟等有害气体，净化室内空气。-14-湿敏传感器为什么要测量湿度？生产过程的空气质量室内空气质量贮存/催熟烘干过程让设备高效率地进行生产消耗最低的能量更舒适安全更高的工作效率达到/保持成品的最佳品质使产品或原材料达到最佳品质-15-面条烘干-16-生产过程中的空气质量-17-湿度•绝对湿度（AH)绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其数学表达式为绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。•相对湿度(RH)相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其数学表达式为：相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用VmHVa%100WVTPPH-18-界限电流式湿敏传感器湿敏传感器电阻式电容式其它电解质式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。工作原理工作原理利用湿敏元件电容量随湿度变化的特性来进行测量的，通过检测其电容量的变化值，从而间接获得被测湿度的大小-19-电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。12341—引线；2—基片；3—感湿层；4—金电极吸附脱附15℃7.06.56.05.55.04.54.0405060708090相对湿度/%RH电阻值的对数/氯化锂湿度—电阻特性曲线-20-陶瓷式电阻湿敏传感器通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。•前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷•最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷1-ZnO-LiO2-V2O5系2-Si-Na2O-V2O5系3-TiO2-MgO-Cr2O3系图15.20　几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性020406080100相对湿度/%RH80100120140160180200220电阻/Fe3O4半导瓷的正湿敏特性-21-陶瓷式电阻湿敏传感器的特点•传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；•陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；•可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。•陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。滤网引线树脂固封多孔金电极陶瓷烧结元件塑料外壳陶瓷基片固定端子金属电极加热线圈湿敏陶瓷片引线MgCr2O4-TiO2陶瓷Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，负特性半导瓷ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定-22-高分子式电阻湿敏传感器当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量增大，吸附水之间凝聚化呈液态水状态。在低湿吸附量少的情况下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高；当相对湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的成对离子主要起载流子作用。此外，由吸附水自身离解出来的质子（H+）及水和氢离子（H3O+）也起电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加，传感器的电阻急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境中的湿度。利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的基本原理来进行测量的高分子式电阻湿敏传感器测量湿度范围大，工作温度在0～50℃，响应时间短（30s），可作为湿度检测和控制用。-23-电容式湿敏传感器有效利用湿敏元件电容量随湿度变化的特性来进行测量的，通过检测其电容量的变化值，从而间接获得被测湿度的大小湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。电容式湿敏传感器检测范围宽，线性好，因此在实际中得到了广泛的应用-24-房间湿度控制器后窗玻璃LRHR(a)安装示意图(b)电路汽车后窗玻璃自动去湿装置-25-露点：当温度降到某一特定值时，饱和水蒸气分压力等于同温度下的实际水蒸气分压力，相对湿度100%，本来不饱和的空气，终于因室温下降而达到饱和状态，这一特定温度称为该空气的露点温度。空气中水蒸气压越小，露点越低，因此可以用露点表示空气湿度的大小。降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。测量露点的仪器-26-离子传感器金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)离子敏场效应晶体管（ISFET)离子选择性电极（ISE）-27-1MOS管的结构和特性工作原理：N沟道：当UGS大于导通电压时，D-S极导通；P沟道：当UGS小于导通电压0时，D-S极导通；S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底-28-用半导体工艺制作的金属—氧化物—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N沟道场效应管。---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGidN沟道增强型MOS管的特性-29-2离子敏传感器的结构与工作原理离子敏传感器是由MOS场效应管发展过来，它的栅极与普通MOS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。离子敏场效应管的结构和一般的场效应管之间的不同在于，离子敏场效应管没有金属栅电极，而是在绝缘栅上制作一层敏感膜。敏感膜的种类很多，不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。-30-•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。敏感膜涂覆在MOS管的栅极，对某些离子存在时改变栅极电位。绝缘层与溶液之间