传感器第11章

1、第11章化学传感器 第11章化学传感器 11.1气敏传感器气敏传感器 11.2湿敏传感器湿敏传感器 11.3离子敏传感器离子敏传感器 思考题与习题思考题与习题 第11章化学传感器 11.1气气 敏敏 传传 感感 器器11.1.1电阻型气敏器件电阻型气敏器件 1. 表面电阻控制型气敏器件表面电阻控制型气敏器件表面电阻控制型气敏器件是利用半导体表面吸附气体时，会引起元件电阻变化的特性而制成的一种传感器，多以可燃性气体为检测对象，吸附能力很强，也可以检测非可燃性气体。该类传感器具有气体检测灵敏度高、响应速度比一般传感器快、实用价值大等优点。第11章化学传感器 表面电阻控制型气敏器件主要利用表面电导率

2、变化的信息来检验气体，因此应选取表面电导率大、体内电导率小的半导体材料。表面电阻控制型气敏器件的结构主要有烧结型、薄膜型(包括多层薄膜型)和利用烧结体材料做成的厚膜型(包括混合厚膜型)等。第11章化学传感器 1) 烧结型气敏器件烧结型SnO2气敏器件是目前工艺最成熟、应用最广泛的气敏元件。这种器件以多孔质陶瓷SnO2为基本材料，添加不同的添加剂，均匀混合，以传统制陶工艺烧结而成。烧结时在材料中埋入加热电极和测量电极，制成管芯，然后将加热电阻丝和测量电极引线焊在管座上，并罩于不锈钢网中制成器件。这种器件工艺简单、成本低廉，主要用于检测可燃性气体，如H2、CO、甲烷(天然气的主要成分)、丁烷(液化

3、气的主要成分)等，敏感器件的工作温度约300。按照加热方式，可分为直热式和旁热式两种类型。第11章化学传感器 直热式传感器是将加热元件与测量电极一同烧结在氧化物材料及催化添加剂的混合体内，加热元件直接对氧化物敏感元件加热，如TGS、QN、QM等系列产品。直热式气敏元件由芯片(包括敏感体和加热器)、基座和金属防爆网罩三部分组成。在SnO2芯片烧结体中埋设两根铂-铱合金丝作为测量电极和加热电阻丝(阻值约为25 )，工作时加热电阻丝通电加热，测量电极测量电阻值的变化，其结构与元件符号分别如图11.1(a)、(b)所示。第11章化学传感器 图11.1直热式传感器元件的结构与符号第11章化学传感器 旁热

4、式传感器采用陶瓷管作为基底，将一个高阻加热丝装入陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量电极，在金电极外涂SnO2材料，测量电极、氧化物材料及催化添加剂烧结在陶瓷管的外壁，加热元件经陶瓷管壁对氧化物敏感元件均匀加热，如QM-N5、TGS812、TGS813等产品。其结构与元件符号分别如图11.2(a)、(b)所示。第11章化学传感器 图11.2旁热式传感器元件的结构与符号第11章化学传感器 2) 薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件是以石英或陶瓷为绝缘基片，在基片的一面印上加热元件(如RuO2厚膜)，在基片的另一面上蒸发或溅射出一层氧化物半导体薄膜(如SnO2)，并引出测量电极。由于薄膜型气敏器件的表面积很大

5、，表面电导率的变化对整个器件电导率的变化影响大，因此灵敏度较高，且具有一致性好、稳定性高、寿命长等优点，适于批量生产，成本低，是一种很有发展前景的气敏元件。第11章化学传感器 3) 厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件是将SnO2、ZnO等氧化物材料与硅凝胶混合，并加入适量的催化剂制成敏感材料膏浆，然后采用丝网印刷技术，将敏感材料膏浆用不锈钢网印刷到氧化铝基板上，基板上事先安装有铂电极和加热元件，待自然干燥后在400800下烧结1小时制成。而后在上面印刷一对距离为0.5 mm的厚膜导体作为电极，在基板另一面印刷上电阻作为加热器。厚膜型气敏元件的机械强度高，重复性好，适合于大批量生产，而且生产工艺简单，

6、成本低。第11章化学传感器 SnO2气敏器件具有如下基本特性：(1) 灵敏度特性：烧结型SnO2气敏器件，对多种可燃性气体都有敏感性，但其灵敏度有所不同。在低浓度气体中灵敏度高，器件电阻变化明显, 而在高浓度气体中电阻趋于稳定值, 所以它非常适宜检测低浓度微量气体，例如检测可燃气体的泄漏、定限报警等；(2) 温湿度特性：SnO2气敏器件易受环境温湿度的影响，在使用气敏元件时，必须在电路中进行温湿度补偿，提高仪器设备的精度和可靠性；第11章化学传感器 (3) 初期恢复特性：SnO2气敏器件在短期不通电的状态下存放后再通电，元件并不能立即投入正常工作，其电阻值将有一段急剧变化的过程，然后逐渐趋于稳

7、定值，其变化曲线如图11.3所示。通电开始，气敏元件的电阻值迅速下降，然后向正常的阻值变化，最后趋于稳定状态。吸附气体后，其电阻值随吸附气体的种类而发生变化，吸附还原性气体时电阻值下降，而吸附氧化性气体时电阻值升高，响应时间在1 min之内；第11章化学传感器 图11.3SnO2气敏电阻与吸附气体的关系曲线第11章化学传感器 (4) 初期稳定特性：气敏元件长时间不通电存放，无论在清净空气中，还是在气体中，都将出现高阻值现象，即元件电阻值比初始稳定值高，一般高20%左右。通电开始一定时间后，元件电阻才恢复到初始电阻值并稳定下来。一般把通电开始到元件电阻达到初始稳定值的时间称为初始稳定时间，用它表

8、示气敏元件的初始稳定性。第11章化学传感器 2. 体电阻控制型气敏器件体电阻控制型气敏器件体电阻控制型半导体气敏器件与被测气体接触时，引起器件体电阻改变的原因较多。如热敏型气敏器件在高温下工作，当表面吸附可燃性气体时，被吸附气体燃烧使器件的温度进一步升高，使半导体的体电阻发生变化。另外，由于添加物和吸附气体分子在半导体能带中形成新能级的同时，会在母体中生成晶格缺陷，也会引起半导体的体电阻发生变化。很多化学反应强而且容易还原的氧化物在比较低的温度下与气体接触时，晶体结构发生变化，使得体电阻发生变化。目前常用-Fe2O3的气敏元件就是利用这一原理制成的，其结构如图11.4所示。 第11章化学传感器

9、 图11.4-Fe2O3气敏元件结构第11章化学传感器 11.1.2非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件1. 肖特基二极管气敏器件肖特基二极管气敏器件当金属和半导体接触形成肖特基势垒时构成金属半导体二极管。在这种金属半导体二极管中施加正向偏压时，从半导体流向金属的电子流将增加；如果施加负向偏压时，从金属流向半导体的电子流几乎没有变化，这种现象称为二极管的整流作用。当金属和半导体界面吸附某种气体时，气体对半导体的能带或者金属的功函数都将产生影响，其整流特性发生变化，由此可以制作气敏器件。第11章化学传感器 在TiO2和ZO2单晶或ZO2烧结体上，真空蒸镀一层20 nm左右的Pd形成肖特基二极管时，其

10、整流特性随还原气体的浓度发生变化。由于还原性气体的吸附，Pd的功函数会明显减小，进而导致肖特基接触势垒下降，使得正向电流增加。这种器件对H2很敏感，室温下能对几个ppm(百万分之一)以下的H2浓度进行选择性检测。图11.5所示为Pd-TiO2肖特基气敏二极管伏安特性与H2浓度的关系曲线。第11章化学传感器 图11.5肖特基气敏二极管伏安特性与H2浓度的关系第11章化学传感器 2. MOS二极管气敏器件二极管气敏器件MOS二极管气敏器件是利用MOS二极管的电容-电压关系(C-V特性)制成的敏感器件，其结构、等效电路和C-V特性如图11.6所示。 图11.6Pd-MOS二极管气敏器件第11章化学传

11、感器 3. Pd-MOSFET二极管气敏器件二极管气敏器件Pd-MOSFET二极管气敏器件是用Pd薄膜(厚度为10 nm)作栅电极，而普通MOSFET 是用Al膜作栅电极，这是两者的主要区别。另外，Pd-MOSFET的SiO2绝缘层厚度也比普通的MOSFET薄。Pd-MOSFET气敏器件的结构和ID-UDS曲线如图11.7所示。 第11章化学传感器 图11.7Pd-MOSFET器件第11章化学传感器 MOSFET的漏极电流ID由栅极电压UG控制，若将栅极和漏极短路，并在源极与漏极之间加电压UDS，则漏电流ID为ID=(UDSUT)2 (11.1)式中：常数，只与Pd-MOSFET的结构有关；U

12、T阈值电压，产生漏电流ID的最小偏压。第11章化学传感器 Pd-MOSFET二极管气敏器件具有如下特性：(1) 灵敏度：这种器件具有很高的灵敏度；(2) 选择性：大多数气敏器件的选择性都不理想。而Pd-MOSFET的Pd薄膜只允许氢原子通过并到达Pd-MOSFET界面，所以它只对氢气敏感，具有独特的高选择性；(3) 稳定性：由于阈值电压UT随时间缓慢漂移，所以Pd-MOSFET的稳定性较差，限制了该器件在定量检测上的应用。自1975年Pd-MOSFET在国外研制成功以来，在工艺和结构方面做了很多优化和改进，如在Pd-MOSFET电容的SiO2上加一层Al2O3，就可以消除漂移现象；第11章化学

13、传感器 (4) 响应时间：响应时间与恢复时间都是由气体与栅极在界面上的反应过程所决定，随器件的工作温度上升而迅速减小。因此，Pd-MOSFET工作温度的选择非常关键，若要求响应时间为几秒或者更短，必须选择100150的工作温度。除工作温度外，H2浓度对响应时间和恢复时间也有影响，如器件工作温度在150时，当H2浓度为0.01%时，响应时间小于10 s，恢复时间小于5 s。当H2浓度为4%时，响应时间小于5 s，恢复时间小于15 s。第11章化学传感器 11.1.3气敏传感器的应用气敏传感器的应用1. 有害气体报警器有害气体报警器该类仪器在泄漏气体达到危险值时自动进行报警。图11.8所示为一种简

14、单的家用可燃气体报警器电路，气敏传感器TGS109与蜂鸣器BZ构成简单的检测回路。第11章化学传感器 图11.8家用可燃气体报警器电路第11章化学传感器 图11.9所示为小型煤矿瓦斯报警器电路，气敏传感器QM-N5与电位器RP构成检测回路，555集成器件与外围元件构成多谐振荡器。当无瓦斯气体时，气敏传感器电阻值较大，调节电位器RP使输出电压小于0.7 V，555集成器件的4脚被嵌位，振荡器不工作。当周围空气有瓦斯气体时，气敏传感器电阻值降低，电位器输出电压增加，555集成器件的4脚变为高电平，振荡器起振，扬声器报警。第11章化学传感器 图11.9瓦斯报警器电路第11章化学传感器 2. 检漏仪检

15、漏仪检漏仪是将气敏元件作为检测电路中的气-电转换元件，并配合相应的电路、指示仪表或声光显示部分组成的气体探测仪器，这类仪器要求灵敏度较高。例如氢气检漏仪内置的采样泵能够尽可能多地采集泄漏气体，并送入仪器进行气-电转换，当采样气体中的氢气含量超过预设值时，仪表会自动发出声光报警，并显示相关信息。第11章化学传感器 3. 自动控制和测量自动控制和测量利用气敏元件的气敏特性，实现对电气设备的自动控制，如电子灶烹调自动控制、换气扇自动换气控制等。气敏元件对不同气体具有不同的电阻-气体浓度关系曲线，利用这一特性来测量及确定气体的种类和浓度，但对气敏元件的性能要求较高，同时要配以高精度的测量电路。第11章

16、化学传感器 4. 注意事项注意事项(1) 加热电压：半导体气敏传感器采用加热器对气敏元件进行加热，加热器的加热温度对气敏传感器的特性影响很大, 因此加热器的加热电压必须恒定。例如, 对于AF30L/38L半导体气敏传感器, 加热器的理想电压为5 V，一般在50.2 V的范围内使用。另外，气敏元件的消耗功率不能超过额定值，否则会损坏气敏元件，如AF30L/38L气敏传感器的消耗功率不能超过15 mW。气敏传感器输出电压获取方式如图11.10所示。第11章化学传感器 图11.10温度补偿电路第11章化学传感器 (2) 温度补偿：半导体气敏传感器在气体中的电阻值与温度及湿度有关。温度和湿度较低时，电

17、阻值较大；温度和湿度高时，电阻值较小。为此，气体浓度即使相同，电阻值也会不同，需要进行温度补偿。 第11章化学传感器 11.2湿湿 敏敏 传传 感感 器器11.2.1绝对湿度与相对湿度绝对湿度与相对湿度所谓湿度，就是空气中所含水蒸气的量。空气可分为干燥空气与潮湿空气两类。理想状态的干燥空气只含有大约78%的氮气、21%的氧气和1%的其它气体成分，而不含水蒸气。如果把潮湿空气看成理想气体与水蒸气的混合气体，那么它符合分压原理，即潮湿空气的全压等于该混合物中各种气体分压之和。因此设法测得空气中水蒸气的分压，也等于测出了空气的湿度。湿度常用绝对湿度和相对湿度来表示。第11章化学传感器 绝对湿度H表示

18、单位体积内所含水蒸气的质量(单位为g/m3)，又称水气浓度或水气密度，也可用水的蒸气压表示。其定义为式中：mV待测空气中的水蒸气质量；V待测空气的总体积。VmHV(11.2) 第11章化学传感器 在实际生活中，如人体的感觉、植物的枯萎、水分蒸发的快慢等，并不用绝对湿度表示，而是用相对湿度Hm来表示。待测空气中水蒸气分压PV与同温度下饱和水蒸气气压PW的比值，或者绝对湿度与同温度时饱和状态的绝对湿度的比值称为相对湿度, 常用百分数表示，记作“%RH”。相对湿度是无量纲的量，其定义为(11.3) RH%100)(TWVmPPH第11章化学传感器 11.2.2氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯化锂(Li

19、Cl)是一种典型的无机电解质湿敏元件, 它是利用电阻值随环境相对湿度变化的机理而制成的测湿元件。其感湿原理为：不挥发性盐(如氯化锂)溶解于水，结果降低了水的蒸气压, 同时使得盐的浓度降低，电阻率增加。利用这个特性, 在条状绝缘基板(如无碱玻璃)的两面, 用化学沉积或真空蒸镀法制作一对金属电极，再浸渍按一定比例配制的氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，表面再加上多孔性保护膜即可形成一层感湿膜，感湿膜可随空气中湿度的变化而吸湿或脱湿。感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化, 当空气中湿度增加时, 感湿膜中盐的浓度降低，氯化锂湿敏电阻随湿度上升而电阻值减小。通过对感湿膜的电阻进行测量, 即可获知环境的湿度大小。

20、氯化锂湿敏电阻的结构如图11.11(a)所示。第11章化学传感器 图11.11氯化锂湿敏电阻第11章化学传感器 1. 登莫式登莫式登莫式湿敏传感器是在聚苯乙烯的圆管上用两条互相平行的钯引线作为电极，以聚乙烯醇(PVA)作为胶合剂，在聚苯乙烯管上涂一层经过适当碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，形成均匀薄膜。若只用单个传感器件，其检测范围狭窄。因此，将含量不同的几种传感器组合在一起使用，使其测量范围达到20%90%的相对湿度。第11章化学传感器 2. 浸渍式浸渍式浸渍式湿敏传感器是在基片材料直接浸渍氯化锂溶液构成的。这种传感器的浸渍基片材料为天然树皮，在基片上浸渍氯化锂溶液。与登莫式相

21、比，避免了在高湿度下产生的湿敏膜误差，由于基片材料的表面积较大，所以这种传感器具有小型化的特点，适应于微小空间的湿度检测。与登莫式相同，设法将氯化锂含量不同(特性不同)的几种传感器组合在一起使用，可使其测量范围达到较大的相对湿度。第11章化学传感器 3. 光硬化树脂电解质湿敏元件光硬化树脂电解质湿敏元件登莫元件中的胶合剂聚乙烯醇(PVA)不耐高温高湿，这限制了元件的使用范围，若采用光硬化树脂代替PVA，而将树脂、氯化锂、感光剂、助膜剂和水调配成胶体溶液，涂于塑料基片上，基片上蒸镀有电极。待干燥后置于紫外线下曝光并热处理，可制成耐高温高湿的感湿膜，它可在80的环境下使用，耐水性好。第11章化学传

22、感器 11.2.3半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻1. MgCr2O4-TiO2(铬酸镁铬酸镁-二氧化钛二氧化钛)湿敏陶瓷湿敏陶瓷1) 工作原理烧结型半导体陶瓷为多孔结构的多晶体，系金属氧化物材料。半导体陶瓷形成过程伴随着半导体化过程，半导体化过程的结果会使晶粒中产生大量的载流子(电子或空穴)。这样，一方面使晶粒内部的电阻率降低，另一方面又在晶粒间形成界面势垒，致使晶粒界面处的载流子耗尽而出现耗尽层。因此晶粒界面的电阻率将远大于晶粒体内的电阻率，而成为半导体陶瓷材料在通电状态下电阻的主体。由于水分子在半导体陶瓷表面和晶粒界面间的吸收，会引起表面和晶粒界面处电阻率发生变化，因此烧结型半导体陶

23、瓷具有湿敏特性。第11章化学传感器 大多数半导体陶瓷具有负感湿特性，其电阻随环境湿度增加而减小，这是由于水分子在陶瓷晶粒间的吸附，会离解出大量导电离子，担负电荷的运输，载流子的增加使得电阻减小。在完全脱水的金属氧化物半导体陶瓷的晶粒表面，裸露出正金属离子和负氧离子。水分子电离后，分解成带正电的氢离子和带负电的氢氧根离子。因此在陶瓷晶粒的表面上就形成负氢氧根离子和正金属离子以及氢离子与氧离子之间的第一层吸附(化学吸附)。在形成的化学吸附层中，导电的载流子主要是由吸附的水分子和由氢氧根离解出来的正氢离子所构成的水合氢离子H3O+。水分子完成第一层化学吸附之后，会形成第二、第三层的物理吸附，同时使导

24、电载流子H3O+的浓度进一步增大。第11章化学传感器 这些H3O+在吸附水层中的导电行为，导致金属氧化物半导体陶瓷的总阻值下降，所以具有感湿特性。金属氧化物半导体陶瓷材料的结构不甚致密，晶粒间有一定的空隙，呈多孔毛细管状。水分子可以通过陶瓷材料的细孔被晶粒间的界面和各晶粒表面吸附，并在晶粒间的界面处凝聚。材料孔径越小，水分子越容易凝聚，凝聚易发生在各晶粒间界面的颈部部位。晶粒间界面的颈部接触电阻是湿敏陶瓷整体电阻的主要部分，水分子在该部位处凝聚，吸附的水分子可以离解出大量的导电离子，这些离子在水吸附层具有输运电荷的能力，必将引起晶粒间界面处接触电阻明显下降。环境湿度增加时，水分子在整个晶体表面

25、上由于物理吸附而形成多层水分子层，从而在测量电极之间会存在一个均匀的电离质层，使材料的电阻率明显降低。第11章化学传感器 2) 结构MgCr2O4-TiO2半导体湿敏元件由P型半导体MgCr2O4和N型半导体TiO2两种材料烧结而成，它是一种机械混合的复合型半导体陶瓷。烧制成的陶瓷呈多孔性结构，有大量的粒间气孔，粒间气孔是一种相当于毛细管的气孔，很容易吸附水汽，而且抗热冲击。这种陶瓷的电阻率和温度特性与原材料的配方有着密切关系，将P型半导体MgCr2O4和N型半导体TiO2两种导电类型相反的半导体材料按适当的比例混合烧制，就可得到电阻率较低、电阻率温度系数很小的复合型半导体湿敏材料。MgCr2

26、O4-TiO2半导体陶瓷湿敏元件的结构如图11.12所示。 第11章化学传感器 图11.12MgCr2O4-TiO2湿敏元件结构第11章化学传感器 3) 性能图11.13(a)为MgCr2O4-TiO2半导体湿度元件的感湿特性曲线，器件阻值与环境相对湿度Hm之间有较理想的指数函数关系，即R=R0 exp(AHm) (11.4)式中：R0湿敏元件的初始电阻值；A与材料有关的常数。环境湿度在1100%RH的范围内，器件电阻值的变化为104108。在相同湿度情况下，随着温度的提高，器件电阻值降低。图11.13(b)是这种传感器的响应特性曲线。第11章化学传感器 图11.13MgCr2O4-TiO2湿

27、敏元件的特性曲线第11章化学传感器 2. ZnO-Cr2O3(氧化锌氧化锌-氧化铬氧化铬)湿敏陶瓷湿敏陶瓷ZnO-Cr2O3湿敏传感器是以ZnO为主要成分的陶瓷材料，其化学稳定性好。该传感器不必加热清洗，即可连续测量湿度，且性能稳定、功率小(一般在0.5 mW以下)、成本低，适合大批量生产。传感器采用直径为8 mm、厚为0.2 mm的圆片状多孔陶瓷元件，元件两表面烧结有多孔材料电极，电极上焊有引出线，整个元件封装在塑料外壳中，用树脂固定。第11章化学传感器 11.2.4湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用湿敏传感器广泛应用于各种场合的湿度监测、控制与报警，在军事、气象、农业、工业、医疗、建筑以及家

28、用电器等方面都有很好的应用前景。1. 微量蒸气检漏仪微量蒸气检漏仪图11.14所示为微量水蒸气检漏仪的构成框图。 第11章化学传感器 图11.14微量蒸气检漏仪构成框图第11章化学传感器 2. 湿度检测控制系统湿度检测控制系统图11.15是湿度检测控制系统框图。 图11.15湿度检测控制系统框图第11章化学传感器 3. 注意事项注意事项(1) 电源选择：湿敏电阻必须工作于交流回路中，若用直流电源供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣，故采用交流电源供电(由振荡器提供)。若交流电源频率过高，由于元件的附加容抗将影响测湿灵敏度和准确性。应以不产生正、负离子积聚为原则，电源频率尽可能低，一般

29、以生产传感器厂家提供的参数为宜。对于离子导电型湿敏元件，电源频率应大于5 Hz，一般以1 kHz为宜。对于电子导电型湿敏元件，电源频率应低于50 Hz。第11章化学传感器 交流电源不仅影响传感器的特性，也影响传感器的寿命和可靠性等指标, 因此最好选用失真小的正弦波，波形以0 V为中心对称，无叠加直流偏置的信号。若用方波作为交流电源, 也可使湿度传感器正常工作，但方波也应以0 V为中心，无直流偏置电压，且占空比为50%的对称波形。交流电源的大小也由厂家要求来确定。通常最大电源电压的有效值为12 V，在1 V左右使用对传感器影响最小。若电源电压过低，湿度传感器为高阻抗，低湿度端将受到噪声的影响；相

30、反，若电源电压过高，将影响可靠性。第11章化学传感器 (2) 线性化处理：一般湿敏元件的特性均为非线性，在大多数情况下，难以得到随湿度变化而线性变化的输出电压。为便于测量，常用折线近似方法将其线性化。为此，必须加入线性化电路，它将传感器电路的输出信号变换成正比于湿度变化的电压，准确地显示出湿度值。第11章化学传感器 (3) 电阻特性的处理：电阻式湿敏传感器的湿度-电阻特性呈指数规律变化，湿度传感器的输出电压(或电流)也按指数规律变化，在30%90%RH范围内，电阻变化l万10万倍，因而常采用对数压缩电路来解决此问题，即利用硅二极管正向电压和正向电流呈指数规律变化构成运算放大电路。湿度传感器的电

31、阻在低湿度时达几十兆欧，信号处理时必须选用场效应管输入型运算放大器。为了确保低湿度测量信号的准确性，在传感器信号输入端设置电路保护环，或者用聚四氟乙烯支架来固定输入端，使它从印刷板上浮空，从而消除来自其他电路的漏电流。第11章化学传感器 (4) 测湿范围：电阻式湿敏传感器在湿度超过95%RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化，若反复结露与潮解，特性将变坏而不能复原。电容式湿敏传感器在80%RH以上高湿及100%RH以上结露或潮解状态下，也难以检测。另外，切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态，也不要用手摸或用嘴吹其表面。第11章化学传感器 (5) 温度补偿：氧化物半导体陶瓷湿敏电阻的温

32、度系数通常为0.10.3，在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。一般采用对数压缩电路，利用硅二极管的正向电压具有负温度系数(2 mV/)，可同时实现湿度传感器的对数压缩和温度补偿。利用负温度系数的热敏电阻也可进行温度补偿，但要求湿度传感器的温度特性必须接近一般热敏电阻的B常数(B=4000)，当温度特性较大时，这种方法很难实现温度补偿。第11章化学传感器 (6) 安装使用：为了加快响应速度，湿敏传感器应安装在空气流动的环境中。延长传感器的引线时要注意以下原则：延长线应使用屏蔽线，最长不超过1 m，裸露引线尽量短。特别是在10%20%RH的低湿度区，湿敏特性受延长线影响较大，必须对测量值和精

33、度进行确认。进行温度补偿时，补偿元件的引线也要使用屏蔽线，并同时延长，使它尽可能靠近湿度传感器安装。第11章化学传感器 11.3离子敏传感器离子敏传感器11.3.1MOS场效应管场效应管MOS场效应管(MOSFET)采用半导体平面工艺制作，由于这类元件的制造工艺成熟，便于集成化，所以性能稳定、价格便宜。金属氧化物半导体场效应晶体管的典型结构如图11.16所示。 第11章化学传感器 图11.16MOSFET的结构第11章化学传感器 当UDSUGSUT(工作在非饱和区)时当UDSUGSUT(工作在饱和区)时DSDSTGSD21UUUUI2TGSD)(21UUI(11.6) (11.5) 第11章化

34、学传感器 11.3.2离子敏场效应管离子敏场效应管 1. 结构和工作原理结构和工作原理离子敏器件由离子选择膜(敏感膜)和转换器构成，敏感膜用来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。将普通MOSFET的金属栅去掉，让绝缘氧化层直接与溶液相接触，或者在绝缘氧化层上涂覆一层离子敏感膜，就构成了离子敏场效应管(ISFET)。第11章化学传感器 敏感膜的种类很多，不同敏感膜用于检测不同的离子，具有离子选择性。用Si3N4、SiO2、Al2O3制成的无机敏感膜可测量H+、pH；用AgBr(溴化银)、硅酸铝、硅酸硼制成的敏感膜可测量Ag+、Br、Na+；用聚氯乙烯+活性剂的混合物制成的

35、有机高分子敏感膜可测量K+、Ca+等。图11.17为离子敏场效应管的结构示意图。 第11章化学传感器 图11.17离子敏场效应管的结构第11章化学传感器 当把ISFET插入被测溶液时，溶液与敏感膜接触处会产生一定的界面电势，大小取决于溶液中被测离子的浓度。这一界面电势的大小将直接影响阈值电压UT的值。如果以i表示响应离子的浓度，则当被测溶液中的干扰离子影响较小时，阈值电压UT可表示为UT=C+S lgi (11.7)第11章化学传感器 2. ISFET的特点的特点(1) 输出阻抗低：一般离子选择电极的输出阻抗很高，如玻璃电极的输出阻抗高达109 ，要配合高输入阻抗的pH计才能进行测量。而离子敏传感器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，同时还具有展宽频带(0f1 MHz)和放大信号的作用；(2) 响应时间短：采用半导体薄膜工艺，可以将敏感膜的厚度做得很薄，一般只有100 nm 左右，最薄可达到几纳米。因此离子敏传感器的水化时间很短，对离子活度的响应速度很快，响应时间小于1 s，而一般的离子选择电极