化学物质传感器概论.pptVIP

第9章 化学物质传感器;学习目的; 9.1 气敏传感器 9.2 湿度传感器 本章小结 复习思考题; 人类的日常生活和生产活动与周围环境空气紧密相关。空气的变化对人类有极大的影响。例如，空气中缺氧或存在有毒气体会使人感到窒息甚至昏迷致死。可燃性气体的泄漏会引起爆炸和火灾，使人们的生命和财产遭受巨大的损失。因而我们需要使用大量的气敏传感器来检测气体的成分。 气敏传感器就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件。 它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以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。;燃气报警器;酒精传感器; 气敏传感器的种类很多，分类标准不一，根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要分为：; 固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应，所生成的离子通过固体电解质传递到电极，使电极间产生的电位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测。;燃烧式气敏传感器则是基于强催化剂使气 体在其表面燃烧时产生热量，而使贵 金属电极电导随气体浓度发生变 化来对气体进行检测的。;9.1.2 电阻型半导体气敏传感器; 如氢、碳氧化合物、醇等还原型气体—电子供给性气体（具有正离子吸附倾向的气体） 吸附到N型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降； 吸附到P型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升。; 气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材料和催化剂烧结，金属氧化物有：N型半导体和P型半导体。 ;通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半 导体（N型半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料 的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态； 当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将 束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加使元件电阻减小。; 是电阻型金属氧化物半导体传感器的气敏材料的典型代表，这类半导体传感器的使用温度较高，大约200～500℃。为了进一步提高它们的灵敏度，降低工作温度，通常向母料中添加一些贵金属（如;1．烧结型 气敏元件; ; 其可靠性和使用寿命都较直热式气敏元件为高。目前市售的SnO2 系气敏元件大多为这种结构形式。;2．厚膜型 气敏元件;;; 非电阻型气敏传感器主要包括： 利用MOS二极管的电容—电压特性变化的MOS二极管型气敏传感器； 利用MOS场效应管的阈值电压变化的MOS场效应管型气敏传感器。 ; Pd- MOS二极管气敏元件是在P型硅上集成一层二氧化硅层，在氧化层蒸发一层钯（Pd）金属膜作栅电极。氧化层（SiO2）的电容Ca是固定不变的。而硅片与 SiO2 层电容Cs是外加电压的函数，所以总电容C是栅极偏压的函数，其函数关系称为该MOS管的电容一电压(C—U)特性。MOS二极管的等效电容C随电压U变化。 ; 由于金属钯（Pd）对氢气特别敏感。当Pd吸附氢气以后，使Pd的功函数下降，且所吸附气体的浓度不同功函数变化量不同，这将引起MOS管的C—U特性向左平移（向负方向偏移）。由此可测定氢气的浓度。;9.1.4 气敏传感器的应用; 对于丙烷、丁烷、甲烷 等气体，报警浓度一般选 定在其爆炸下限的1／10， 通过调整电阻来调节。;呼气管;家庭用液化气报警器;一氧化碳传感器;汽车尾气分析;;;9.2 湿度传感器;; 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。; 相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（P）和同温度下饱和水蒸气的分压（Pmax）的百分比，即 ; 在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于0℃，水气将凝结成霜，此时称其为霜点。通常对两者不予区分，统称为露点，其单位为℃。 ;9.2.2 湿度传感器的分类; 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。;2. 湿敏电容; 氯化锂湿敏电阻是利用物质吸收水分子而使导电率变化来检测湿度。 在氯化锂溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导电能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。 当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升