每章重点、难点剖析CH11化学传感器.doc

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1、第11章化学传感器（知识点3）知识点1　化学传感器概述能将各种化学物质的特性(如气体、离子或电解质浓度、空气湿度等)的变化定性或定量地转换成为电信号的传感器称为化学传感器。知识点2　气敏传感器的定义气敏传感器就是能够感知环境中气体成份及其浓度的一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。知识点3　气敏传感器的主要参数及特性1）灵敏度灵

2、敏度（）是气敏元件的一个重要参数，它标志着气敏元件对气体的敏感程度。用其阻值变化量与气体浓度变化量之比来表示：（11.1）灵敏度还有另一种表示方法，即气敏元件在空气中的阻值与在被测气体中的阻值之比，以表示：(11.2)2）响应时间从气敏元件接触到一定浓度的被测气体开始，至气敏元件的阻值达到该浓度下新的恒定值所需要的时间称为响应时间。它表示气敏元件对被测气体浓度的响应速度。3）选择性指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力。对某种气体选择性好，表明气敏元件对其灵敏度较高。选择性是气敏元件

3、的重要参数，也是目前较难解决的问题之一。4）稳定性当被测气体浓度不变时，若其他条件（如温度、压力、磁场等）发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力，称为稳定性。稳定性反映了气敏元件的抗干扰能力。5）温度特性气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性称为温度特性。温度有元件自身温度与环境温度之分，这两种温度对灵敏度都有影响。元件自身温度对灵敏度的影响较大，主要通过温度补偿方法来解决。6）湿度特性气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性称为湿度特性。该特性主要影响检测精度，可通过湿度补偿方法加

4、以解决。7）电源电压特性指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性。可通过采用恒压源来改善这种特性。8）时效性与互换性气敏元件由于工作环境恶劣，温度较高，长期使用易造成气敏特性漂移，而且传统元件性能参数分散，互换性差，给实用带来不便。反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了它的互换性。知识点4　气敏传感器的分类由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有的气体，所以气敏传感器的种类也很多。气敏传感器具体类型及其特点如表11.1示。表

5、11.1气敏传感器类型及其特点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、ZnO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，电阻值相应增大可燃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

6、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根据红外线照射气体分子谐振而产生的吸收或散射进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高知识点5　气敏传感器的发展方向气敏传感器的研究涉及面广、难度大,属于多学科交叉的研究领域。目前气敏传感器的发展方向主要表现为：1)气敏材料的开发。2)新型气敏传感器的设计。3)气敏传感器传感

7、机理的研究。4)气敏传感器的智能化。知识点6　半导体式气敏传感器的工作原理半导体式气敏传感器是利用半导体气敏元件（主要是金属氧化物）同待测气体接触，造成半导体的电导率等物理性质发生变化的原理来检测特定气体的成份或者浓度的。半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式两类。电阻式气敏传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作成敏感元件，利用敏感材料接触气体时其电阻值的变化来检测气体的成份或浓度；非电阻式气敏传感器也是一种半导体器件，它们与被测气体接触后，如二极管的伏安特性或场效应管的阈值电压等将会发生

8、变化。根据这些特性的变化来测定气体的成份或浓度。（1）基本原理构成电阻式气敏传感器的核心—气敏元件的材料一般都是金属氧化物，在合成材料时，按化学计量比的偏离和杂质缺陷合成。金属氧化物半导体分为N型半导体（如氧化锡、氧化锌、氧化铁等）和P型半导体（如氧化钼、氧化铬、氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等）。为了提高气敏元件对某些气体成份的选择性和灵敏度，在合成材料时还可添加其它一些金属元素催化剂，如钯、铂、银等。图11.2N型半导体吸附气体时器件阻值变化如图11.2所示。半导体气敏器件被加