传感器原理与应用化学传感器演示教学

传感器原理与应用11.化学传感器11化学传感器化学传感器11.1概述对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。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；传感方式结构形式接触式非接触式分离型传感器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。

检测对象气体传感器湿度传感器离子传感器生物传感器气体传感器的传感元件多为氧化物半导体，有时在其中加入微量贵金属作增敏剂，增加对气体的活化作用。半导体气体传感器固体电解质气体传感器接触燃烧式气体传感器晶体振荡式气体传感器电化学式气体传感器气体传感器化学传感器检测对象气体传感器湿度传感器离子传感器生物传感器生物传感器是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。生物传感器的优点是对生物物质具有分子结构的选择功能化学传感器的应用领域：矿产资源的探测气象观测和遥测工业自动化医学上的疾病诊断和实时监测农业上生鲜保存和鱼群探测防盗、安全报警等化学传感器11.3气体传感器11.3.1概述按待检测气体性质分类检测易燃易爆气体的传感器：

——氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油等检测有毒气体的传感器：

——氯气、硫化氢、砷烷等检测工业气体的传感器：

——氧气、二氧化碳等检测大气污染的传感器：

——NOx、SOx、HCl、CO2、CH4、O3、甲醛等化学传感器1930年：发现氧化亚铜的导电率随水蒸气的吸附而改变；

——气敏效应。1960年：研制成功了SnO2气敏元件；

这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称为半导体陶瓷(简称半导瓷)。

主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式电

阻表面控制型氧化银、氧化锌室温~450℃可燃性气体体控制型氧化钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡700℃以上酒精、氧气、可燃性气体非电阻式表面电位氧化银室温硫、醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温~200℃氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应管150℃氢气、硫化氢11.3.2半导体气敏器件化学传感器11.3.2.1电阻型半导体气敏器件气敏半导体材料SnO2是N型半导体。它的导电机理可以用吸附效应来解释：1.作用原理晶粒等效体电阻晶粒等效表面电阻化学传感器2.结构及参数一致性较差，机械强度也不高。但它价格便宜，工作寿命长。1.烧结型气敏器件：这类器件以半导瓷SnO2为基体材料(其粒度在以下)，添加不同杂质，采用传统制陶方法烧结。化学传感器2.薄膜型气敏器件

采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。具有较高的机械强度，互换性好，产量高、成本低化学传感器3.厚膜型气敏器件

它是用SnO2或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事先安装有铂电极的Al2O3基片上，以400～800℃烧结1小时制成。一致性较好，机械强度高，适于批量生产。化学传感器化学传感器11.3.2.2非电阻型气敏器件1.MOS二极管气敏器件

如果二极管的金属与半导体的界面吸附有气体，而这种气体又对半导体的禁带宽度或金属的功函数有影响的话，则其整流特性就会发生变化。

在二氧化钛电极上薄薄地蒸发一层钯薄膜，就形成了钯-二氧化钛二极管气敏传感器，这种传感器可用来检测氢气。氢气对这种二极管整流特性的影响如下:

在氢气浓度急剧增高的同时，正向偏置条件下的电流也急剧增大。所以在一定的偏置下，通过测量电流值就能知道氢气的浓度。化学传感器化学传感器2.Pd-MOSFET气敏器件

利用MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化做成的半导体气敏器件。Pd-MOSFET与普通MOSFET的主要区别在于用Pd薄膜取代Al膜作为栅极。

因为钯对H2吸附能力强,H2在钯上的吸附将导致阈电压UT下降，就是利用这一特性来检测H2浓度的。钯膜只对H2敏感，所以Pd-MOSFET对氢有独特的高选择性。化学传感器11.3.3固体电解质气体传感器11.3.4其他气体传感器…略化学传感器湿度绝对湿度相对湿度露点单位体积空气内所含水蒸气的质量也就是指空气中水蒸气的密度。某一被测蒸汽压与相同温度下的饱和蒸汽压的比值的百分数。绝对湿度：表示水份在空间的具体含量；相对湿度：表示大气的潮湿程度，故使用更广泛。毛发湿度计干湿球湿度计早期：氯化锂湿敏电阻半导瓷湿敏元件MOS型湿敏器件近期：11.4湿度传感器在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度叫露点温度,简称露点冷凝开始发生和形成潮湿的温度。

化学传感器11.4.2溶性电解质湿度传感器

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。

在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液，其表面再涂上一层多孔性保护膜而成。

氯化锂是潮解性盐，这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽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。化学传感器不能用于结露环境中化学传感器半导瓷湿敏电阻的材料主要是一些金属氧化物。11.4.4陶瓷湿度传感器化学传感器1.涂覆膜型滑石瓷基片梳状金电极Fe304胶层常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力。体效应器件，具有较明显的湿滞效应。化学传感器2.烧结型——应用最广泛金电极特点：量程宽；工作温度高≤800oC灵敏度高1%RH～80%RH：电阻值变化可达4K；相应时间短≤10S精度高1.4～5%RH工艺简单，低成本化学传感器振荡电路Rt整流电路Vcc加热控制电路R+-比较器1比较器2湿度控制测量电路热敏电阻湿敏电阻化学传感器3.厚膜型氧化铝二氧化锆-三氧化二钇+乙甘醇