现代传感技术与系统 教学课件 作者 林玉池 曾周末 第10章.ppt

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1、1第10章化学传感技术10.1概述10.2气敏化学传感技术及其应用10.3化学离子选择电极及其应用2化学传感器是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器件或装置。对比于人的感觉器官，化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官,并且能感受人的器官不能感受的某些物质，如H2、CO。化学传感器必须具有检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）。10.1概述310.1.1化学传感器的工作原理化学传感器的构成一般由识别元件、换能器以及相应电路组

2、成。当分子识别元件与被识别物发生相互作用时，其物理、化学参数会发生变化，如离子、电子、热、质量和光等的变化，再通过换能器将这些参数转变成与分析物特征有关的可定性或定量处理的电信号或者光信号，然后经过放大、储存，最后以适当的形式将信号显示出来。化学传感器原理示意图410.1.2化学传感技术的发展历史在20世纪30年代后,出现了各种基于Nernst定律的电位法离子选择性电极、气敏电极、场效应晶体管传感器，基于光化学、体声波、表面声波等技术的光纤传感器、声波传感器等传感器也相继问世。化学传感器的产生可以追溯到190

3、6年，Cremer首先发现了玻璃薄膜的氢离子选择性应答现象，发明了第一支用于测定氢离子浓度的玻璃pH电极,并在1930年进入实用化阶段。20世纪60年代后，随着卤化银薄膜的离子选择应答现象、氧化锌对可燃性气体的选择应答现象等新材料、新原理的不断发现及应用，化学传感器进入了新的时代，压电晶体传感器、声波传感器、光学传感器、酶传感器、免疫传感器等各种化学传感器得到了初步应用和发展。510.1.3化学传感器的分类化学传感器的结构形式有两种：一种是分离型传感器。如离子传感器；另一种是组装一体化传感器。如半导体气体传感

4、器。化学传感器的分类化学传感器的类型划分,按传感方式，可分为接触式与非接触式化学传感器。按检测对象，化学传感器分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器和生物传感器。610.2气敏化学传感技术及其应用10.2.1引言随着科学技术的发展，工业废气、汽车尾气、室内有毒气体、可燃可爆气体以及其他的有害气体，也伴随着人民生活水平的提高而直接威胁着人们的生命和财产安全，为了保护人类赖以生存的自然环境，避免不幸事故的发生，防患于未然，必须对各种有害气体或可燃性气体进行有效、准确地检测与控制。根据气体传感器的工作原理及制作材料

5、，气体传感器又可分为半导体式气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧(亦称催化燃烧)式气体传感器、表面声波气体传感器、伏安特性气敏传感器、浓差电池式气敏传感器、石英谐振式气体传感器、光学式气体传感器等。传感器种类COCO2H2SNH3HCNHClCOCl2Cl2NOxSO2O2CH4H2H2O半导体气体传感器○○○○○○○○固体电解质传感器○○○○接触燃烧式传感器△○○有机半导体气体传感器○○○○电化学式气体传感器○○○○○○○○高分子电解质气体传感器△○○○○各种气体传感器可检测的气体种类注:○好;△不太

6、好810.2.2气敏传感器的主要特性1．稳定性2．灵敏度3．选择性4．抗腐蚀性另外，从经济性方面考虑，气敏传感器还应具备以下条件：（1）低成本；（2）长寿命；（3）易于标定和维护；（4）无需复杂的外围设备；（5）所产生的电信号不需要由复杂的电子电路来处理。910.2.3半导体气敏传感器半导体气敏传感器是目前广泛应用的气体传感器之一。按照敏感机理分类，半导体气敏传感器可分为电阻型半导体式、非电阻型半导体式等类型 。半导体气敏传感器的分类类型检测原理具有代表性的气敏元件及材料检测气体电阻型表面电阻控制型SnO2、

7、ZnO、In2O3、WO3、V2O5、β-Cd2SnO4、有机半导体、金属酞可燃性气体、如C2H2CO、C-Cl2-F2、NO2等体电阻控制型γ-Fe2O3、α-Fe2O3、CoC3、Co3O4、Ia1-XSrXCoSrO3、TiO2、CoO、CoO-MgO、Nb2O5等可燃性气体、如O2、CnH2n、NO2非电阻型二极管整流作用Pd/CdS、Pd/TiO2、Pd/ZnO、Pt/TiO2、Au/TiO2、Pd/MoSH2、CO、SiH4等晶体管(FET)气敏元件以Pd、Pt、SnO2为栅极的MOSFETH2、

8、CO、H2S、NH3电容型Pd-BaTiO3、CuO-BaSnO3、GuO-BaTiO3、Ag-GuO-BaTiO3等CO2111.电阻型这类传感器是利用吸附作用引起的表面化学反应和体原子价态变化来识别化学物质的，即这类传感器检测的是化学反应产生的量，以及由吸附、化学反应引起的化学量的变化。气敏材料与气体的作用方式可以分为两大类：表面吸附控制型和体电阻型。⑴表面吸附控制型表面吸附控制型是利用半导体表