第二章信号转换器

1、1 第二章第二章 生物传感器生物传感器 的信号转换器的信号转换器 信号转换器作为生物传感器的重要组成部分，信号转换器作为生物传感器的重要组成部分， 它的作用是将生物敏感元件拾取的生物化学信息它的作用是将生物敏感元件拾取的生物化学信息 转换为容易进行处理测量的、与被测量有对应关转换为容易进行处理测量的、与被测量有对应关 系的电信息。系的电信息。 2 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器 3 一、电化学型信号转换器一、电化学型信号转换器 电化学电极作为生物传感器信号转换器，一般电化学电极

2、作为生物传感器信号转换器，一般 可分为两种类型：可分为两种类型：电位型电位型和和电流型电流型。 电化学电极电化学电极( (固体电极、离子选择性电极、气固体电极、离子选择性电极、气 敏电极、修饰电极等敏电极、修饰电极等) )作为信号转换器已广泛用于酶作为信号转换器已广泛用于酶 传感器、微生物传感器及其它类型的生物传感器中。传感器、微生物传感器及其它类型的生物传感器中。 4 1.1 电化学测量基础电化学测量基础 1.1.测量系统测量系统 根据转变方式和输出电信号的不同，根据转变方式和输出电信号的不同， 可将电化学传感器分为：可将电化学传感器分为： 电位型（原电池） 三种类型 电流型（电解电池） 电

3、导型（电导池） 5 图图2-1 原电池构成原电池构成 6 电位型测量系统电位型测量系统在电极在电极/ /溶液界溶液界 面上自发地发生化学反应，将被测化学量面上自发地发生化学反应，将被测化学量 转变为电位信号的测定装置。转变为电位信号的测定装置。 被测的化学量与电位之间的关系，符被测的化学量与电位之间的关系，符 合能斯特方程：合能斯特方程： lnEC 7 图图2-2 电解电池构成电解电池构成 8 电流型测量系统电流型测量系统外加电压下，外加电压下， 在电极在电极/ /溶液界面上发生化学反应，将被溶液界面上发生化学反应，将被 测化学量转变为电流信号的测定装置。测化学量转变为电流信号的测定装置。 在

4、一定条件下，其电流大小与离子在一定条件下，其电流大小与离子 浓度成比例。浓度成比例。 IC 9 电导型测量系统电导型测量系统在外加电压下，在外加电压下， 将化学量转变成电导信号的测定装置。将化学量转变成电导信号的测定装置。 在离子浓度不大时，溶液的电导与离在离子浓度不大时，溶液的电导与离 子浓度成正比。子浓度成正比。 GC 10 1.2 基本基本概念概念 1. 电离常数电离常数 Ionization constant 电离常数表示电解质电离能力的强弱电离常数表示电解质电离能力的强弱。 AB表示平衡时未电离的分子浓度，表示平衡时未电离的分子浓度，A-和和B+ 表示平衡时表示平衡时A-和和B+离子

5、的浓度。离子的浓度。 AB K AB 11 2. 活度和活度系数活度和活度系数 Activity and activity coefficient 活度指电解质溶液的有效浓度。活度指电解质溶液的有效浓度。 溶液浓度与活度之间的关系表示为：溶液浓度与活度之间的关系表示为： 为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活 度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。 通常通常 0 0 1 1，当溶液无限稀释，当溶液无限稀释 。 .ac 1 12 如如0.1mol/L的盐酸溶液中，的盐酸溶液中，H+的活度就等于的活度就等于 0.0

6、799mol/L，意思是说，意思是说，H+在化学反应起作用在化学反应起作用 的浓度是的浓度是0.0799mol/L。 13 1.3 电极种类电极种类 电极是传感器非常重要的信号转换器，电极是传感器非常重要的信号转换器， 可分为：可分为： 参比电极 指示电极 四类 工作电极 辅助电极 14 1. 参比电极参比电极Reference electrode 参比电极参比电极测量电极电位时用作基测量电极电位时用作基 准电位的电极。准电位的电极。 常用参比电极：标准氢电极、甘汞电常用参比电极：标准氢电极、甘汞电 极、极、 电极。电极。Ag AgCl 15 （1 1）标准氢电极）标准氢电极 氢电极作基准氢电

7、极作基准 测量电极电位，测量电极电位， 精度一般可高精度一般可高 达达10v，但，但 实验室中不用实验室中不用， 因其容易爆炸。因其容易爆炸。 图图2-2 标准氢电极标准氢电极 16 （2）甘汞电极）甘汞电极 电极由电极由Hg和和 Hg2Cl2 的糊状物浸入含有的糊状物浸入含有Cl- 的溶液中，插入的溶液中，插入Pt导导 线构成。放置在线构成。放置在KCl 溶液中。溶液中。 图图2-3 甘汞电极甘汞电极 17 25时甘汞电极的电极电位时甘汞电极的电极电位 18 （3） 电极电极 一种性能较好的一种性能较好的 参比电极。它结参比电极。它结 构简单，只需在构简单，只需在 Ag丝上，镀上丝上，镀上

8、一薄层一薄层AgCl， 并浸入一定浓度并浸入一定浓度 的的KCl溶液中便溶液中便 制成电极制成电极。 图图2-4 银银/氯化银电极氯化银电极 Ag AgCl 19 2. 指示电极指示电极 Indicating electrode 指示电极指示电极根据电极电位的大小指根据电极电位的大小指 示出物质浓度的电极。示出物质浓度的电极。 包括离子选择性电极、气敏电极、金包括离子选择性电极、气敏电极、金 属或非金属电极属或非金属电极(Au、Cu、Pt，石墨电极，石墨电极 等等)。 20 图图2-5 pH玻璃电极玻璃电极 21 3. 工作电极和辅助电极工作电极和辅助电极 Working electrode

9、auxiliary electrode 工作电极工作电极在外加电压下电解时，根据其在外加电压下电解时，根据其 电解电流的大小测定物质含量的电极。电解电流的大小测定物质含量的电极。 辅助电极辅助电极电解时为测定电流构成回路所用电解时为测定电流构成回路所用 的电极（对电极）的电极（对电极）。 22 图图2-6 测量系统测量系统 23 三电极系统：三电极系统：包括工作电极、辅助包括工作电极、辅助 电极和参比电极（用于确定或控制工作电极和参比电极（用于确定或控制工作 电极的电极电位的大小）。电极的电极电位的大小）。 二电极系统：二电极系统：参比电极兼作辅助电参比电极兼作辅助电 极时的构成方式。极时的构

10、成方式。 24 1.4 电位电位型换能器型换能器 电位型换能器是由指示电极和参比电极电位型换能器是由指示电极和参比电极 构成的测量系统，在零电流条件下通过测量构成的测量系统，在零电流条件下通过测量 两个电极之间的电位差，实现待测物质含量两个电极之间的电位差，实现待测物质含量 测量。测量。 25 （一）离子选择性电极（一）离子选择性电极 Ion selective electrode (ISE) 离子选择性电极离子选择性电极用用特殊敏感薄膜特殊敏感薄膜制制 作的对作的对特定特定阳离子或阴离子呈阳离子或阴离子呈选择性响应选择性响应的的 电极电极。 离子选择性电极具有快速、灵敏、可靠、离子选择性电极

11、具有快速、灵敏、可靠、 价廉等优点，因此应用范围很广。价廉等优点，因此应用范围很广。 26 1. pH电极电极 氢离子活度对化学反应和生物化学反应有氢离子活度对化学反应和生物化学反应有 重要的决定作用。有一些酶反应，涉及到氢离子重要的决定作用。有一些酶反应，涉及到氢离子 的生成和消耗，因此可用的生成和消耗，因此可用pH玻璃电极作为某些玻璃电极作为某些 生物传感器的信号转换器。生物传感器的信号转换器。 27 图图2-7 pH电极测量系统电极测量系统 28 （1）ISE的特点的特点 ISE的电极电位与特定离子活度的的电极电位与特定离子活度的 对数呈线性关系；对数呈线性关系； ISE结构简单、测定快

12、速、灵敏度结构简单、测定快速、灵敏度 高、重复性好。高、重复性好。 29 （2）ISE的组成的组成 30 （3）ISE的特性的特性 31 检测极限检测极限 指电极所能检测离子的最低浓度。指电极所能检测离子的最低浓度。 图图2-8 电极校准曲线及检测极限的确定电极校准曲线及检测极限的确定 32 在一定活度范围内（在一定活度范围内（CD段）电极电位与段）电极电位与 被测离子活度的对数成正比，当被测离子活被测离子活度的对数成正比，当被测离子活 度逐渐减小时，曲线由度逐渐减小时，曲线由CD直线段逐渐弯曲成直线段逐渐弯曲成 EF段，电极电位不为零，说明离子选择电极段，电极电位不为零，说明离子选择电极 存

13、在检测极限。存在检测极限。 极限值的确定是根据极限值的确定是根据CD与与EF延长线相交延长线相交 点对应的离子活度作为其检测极限。点对应的离子活度作为其检测极限。 钠电极：钠电极：10-6 mol/L ； 氯电极氯电极: 510-6 mol/L。 33 电位选择系数电位选择系数 指同一支电极对不同离子的选择性响应，指同一支电极对不同离子的选择性响应， 表征表征ISE选择性的优劣。选择性的优劣。电极对各种离子的选择电极对各种离子的选择 性可用电位选择系数表示。在性可用电位选择系数表示。在 中，中，A表示被表示被 测离子，测离子，X表示干扰离子。表示干扰离子。 , pot A X K , pot

14、A X K 34 钙电极用于测钙电极用于测Ca2+，但其对，但其对Ba2+也有响应，也有响应， 因此是测量时的干扰离子，若其对因此是测量时的干扰离子，若其对Ca2+的响应为的响应为 Ba2+的的100倍，则倍，则Ba2+对对Ca2+的干扰为的干扰为1/100倍，所倍，所 以以: 22 , 0.01 Pot CaBa K 越小，表明干扰越小，电极的选择性越越小，表明干扰越小，电极的选择性越 好好。 , pot A X K 35 响应时间响应时间 响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时 间。间。 它与电极的种类及被测离子的活度、溶液的它与电极的种类及被测离子的

15、活度、溶液的 搅拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、搅拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、 参比电极的稳定性等有关。参比电极的稳定性等有关。 36 电极寿命电极寿命 电极寿命是指电极保持电极寿命是指电极保持Nernst响应的时间。响应的时间。 主要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理主要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理 论电势之比小于论电势之比小于0.9时，电极不宜再使用。时，电极不宜再使用。 37 2. 碘电极碘电极 碘离子选择电极常用于有碘离子选择电极常用于有 生成的生成的 酶反应中，碘离子与酶反应中，碘离子与 相遇，在过氧化相遇，在过氧化 物酶催化下，可快速发生如下反应：物酶催化

16、下，可快速发生如下反应： 2232 232HH OIIH O 过氧化物酶 22 H O 22 H O 2232 232HH OIIH O 过氧化物酶 22 H O 22 H O 38 （二）气敏电极（二）气敏电极 电位型气敏电极作为各种生物传感器的电位型气敏电极作为各种生物传感器的 信号转换器，使用较多的是氨气敏电极和信号转换器，使用较多的是氨气敏电极和 气敏电极。气敏电极。 2 CO 39 1. 1. 氨气敏电极氨气敏电极 氨是酶反应中氨是酶反应中 最常见的产物和最常见的产物和 反应物，因此氨反应物，因此氨 电极是常用的信电极是常用的信 号转换器之一。号转换器之一。 40 氨电极浸入碱性待测

17、液时，待测液中的铵盐转氨电极浸入碱性待测液时，待测液中的铵盐转 化成挥发性氨，经透气膜渗入内充液薄层发生如下化成挥发性氨，经透气膜渗入内充液薄层发生如下 反应：反应： 电位与待测溶液中氨的浓度符合能斯特方程。电位与待测溶液中氨的浓度符合能斯特方程。 41 2.二氧化碳电极二氧化碳电极 CO2气敏电极的结构由气敏电极的结构由pH玻璃电极和玻璃电极和 Ag/AgCl 参比电极组成电池，用透气膜将中间参比电极组成电池，用透气膜将中间 溶液与被测溶液隔离开来。溶液与被测溶液隔离开来。 图图2-9 CO2气敏电极气敏电极 42 223 COH OHCOH 测定时溶液中的测定时溶液中的CO2通过透气膜进入

18、溶液，而通过透气膜进入溶液，而 发生下列反应：发生下列反应： 43 二氧化碳气敏电极在医学上的应用二氧化碳气敏电极在医学上的应用 44 45 1.5 电流型换能器电流型换能器 输出直接与被测物浓度呈线性关系；输出直接与被测物浓度呈线性关系； 电极输出值的读数误差较电位型电极小；电极输出值的读数误差较电位型电极小； 灵敏度比电位型电极高。灵敏度比电位型电极高。 常用的电流型电极常用的电流型电极有有O2 电极电极、电极电极、H2O2 电极电极 及燃料电池型电极等。及燃料电池型电极等。 46 （一）（一） 氧电极氧电极 各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，要各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，要 用

19、溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量可用用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量可用 氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极 等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器， 因此氧电极在生物传感器中使用很广。因此氧电极在生物传感器中使用很广。 47 氧电极是一个通过测定电解电流来测氧电极是一个通过测定电解电流来测 定溶液中氧含量的电解池。定溶液中氧含量的电解池。 有两种：开放式和封闭式。有两种：开放式和封闭式。 48 1. 1. 开放式氧电极开放式氧电极 开放式氧电极测定氧的装置如图所示。开放式氧电极测定氧的装置

20、如图所示。 49 外加电解电压，当铂电极电位相对参比电外加电解电压，当铂电极电位相对参比电 极低极低0.2V时，氧在铂丝上开始电解，此时电流时，氧在铂丝上开始电解，此时电流 计中有电流指示。计中有电流指示。 50 当铂电极相对参比电极低当铂电极相对参比电极低0.60.8V时，电流趋于时，电流趋于 恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。 51 Clark氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电 极。极。铂电极与铂电极与 电极组合在一起置于参比电极组合在一起置于参比 溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开

21、。 此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到 膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行 还原产生电流。还原产生电流。 2.2.封闭式氧电极封闭式氧电极( (Clark氧电极氧电极) ) /Ag AgCl 52 Clark氧电极氧电极结构见图。结构见图。 53 3.3.氧电极在医学中的应用氧电极在医学中的应用 54 55 二、二、H2O2电极电极 H2O2电极是根据电解氧化时所产生的电流输出电极是根据电解氧化时所产生的电流输出 来测定浓度的复合式电极。来测定浓度的复合式电极。 电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极

22、电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极 一般用金、白金，阴极一般用一般用金、白金，阴极一般用Ag/AgCl，渗透膜可，渗透膜可 用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及 氯化钾与醋酸缓冲液等氯化钾与醋酸缓冲液等。 56 两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制 在电压在电压- -电流曲线的平滑电流曲线的平滑部分，即部分，即0.7-0.9V，此时输，此时输 出电流就与浓度成比例。出电流就与浓度成比例。 阳极反应阳极反应 阴极放应阴极放应 222 22H OOHe 22 1 22 2 eHOH O 5

23、7 H2O2电极基本测量电路和电压电极基本测量电路和电压-电流曲线电流曲线 58 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器 5959 二、离子敏场效应晶体管（二、离子敏场效应晶体管（ISFETISFET） ISFETISFET是把离子选择性敏感膜和是把离子选择性敏感膜和 FETFET相结合，将离子相结合，将离子 活度的化学信息转化为电流或电压的变化。活度的化学信息转化为电流或电压的变化。 P-Si p-Si nn SD G FET结构结构 2.1 2.1 结构与原理结构与原理 ISFET

24、结构结构 P-Si p-Si nn SD 参比电极参比电极 敏感膜敏感膜 被测溶液被测溶液 60 FET工作原理工作原理 P-Si p-Si nn SDG VGS VDS ID FETFET工作原理工作原理: : 6161 反型层的形成反型层的形成 在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的 电荷流动，并在栅极绝缘层下的电荷流动，并在栅极绝缘层下的P P型半导体材料的表面大型半导体材料的表面大 量积累负电荷而形成反型层。量积累负电荷而形成反型层。 N N型沟道的形成型沟道的形成 栅源电压若大于阈值电压，栅极绝缘层下面将形成栅源电压若大于阈值电压，栅

25、极绝缘层下面将形成 强反型层，源漏极之间形成强反型层，源漏极之间形成N N型沟道。型沟道。 漏电流的形成漏电流的形成 在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流 通，电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电通，电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电 流，称作漏电流，用流，称作漏电流，用I ID D表示。表示。 6262 ISFET工作原理工作原理 P-Si p-Si nn SD VGS VDS ID 参比电极参比电极 敏感膜敏感膜 被测溶液被测溶液 2.2 ISFET工作原理工作原理 ISFET正是利用场效应管的上述特性而实现对离正是利用

26、场效应管的上述特性而实现对离 子浓度测量的。子浓度测量的。 6363 敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅 压压上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方 程，膜电位的大小与溶液中的离子活度有关，即：程，膜电位的大小与溶液中的离子活度有关，即： 6464 实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电 压为压为 GSGSiref VV 因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质 变化来影响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管变

27、化来影响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管 为转换器件的半导体生物传感器。为转换器件的半导体生物传感器。 6565 2.3 特点特点 构造简单，体积小，便于批量制作，成本低；构造简单，体积小，便于批量制作，成本低； 易微型化和多功能化；易微型化和多功能化； FETFET制作的敏感器件响应快，适用于自控监测制作的敏感器件响应快，适用于自控监测 和流程分析等。和流程分析等。 6666 2.4 应用应用 尿素的测定：尿素的测定： 2 2223 ()2CO NHH OCONH 脲酶 2 H O 2 H O 3 HCOH 4 22NHOH + 6767 双栅极酶-FET传感器 6868 葡萄糖的测定葡

28、萄糖的测定： 氟离子的测定氟离子的测定 612622612722 22C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶 69 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器 7070 三、热敏电阻型信号转换器三、热敏电阻型信号转换器 热敏电阻热敏电阻是利用半导体材料的电阻是利用半导体材料的电阻 率随温度变化而变化的特性实现温度测量的率随温度变化而变化的特性实现温度测量的 阻抗元件。阻抗元件。 热敏电阻不仅在生物医学的温度测量、热敏电阻不仅在生物医学的温度测量、 电路元件的温度补偿等方面有着广泛

29、的应用，电路元件的温度补偿等方面有着广泛的应用， 而且可作为生物传感器的信号转换器，构成而且可作为生物传感器的信号转换器，构成 量热型生物传感器。量热型生物传感器。 7171 3.1 结构与种类结构与种类 7272 半导体热敏电阻按其材料、性质的不同半导体热敏电阻按其材料、性质的不同 可分为三种类型：可分为三种类型： PTC型型由钛酸钡和钛酸锶的混合物高由钛酸钡和钛酸锶的混合物高 温烧结而成，具有正的温度系数。温烧结而成，具有正的温度系数。 单晶硅型单晶硅型温度系数为正。温度系数为正。 NTC型型由某些金属氧化物的混合物高由某些金属氧化物的混合物高 温烧结而成，具有负的温度系数。通常用氧温烧结

30、而成，具有负的温度系数。通常用氧 化钴、氧化镍、氧化锰及其它氧化物构成的化钴、氧化镍、氧化锰及其它氧化物构成的 陶瓷半导体。陶瓷半导体。 7373 3.2 热敏电阻的性能和参数热敏电阻的性能和参数 电阻电阻温度特性温度特性 Resistance-temperature characteristic 对对NTC型热敏电阻，在一定的温度范围内，其型热敏电阻，在一定的温度范围内，其 电阻电阻温度特性为温度特性为 其中其中 RT 温度为温度为T时的电阻值时的电阻值 R0温度为温度为T0 时的电阻值时的电阻值 B热敏电阻常数热敏电阻常数 0 11 0 B TT T RR e 0 00 ln T TTR

31、B TTR 7474 温度系数温度系数 （相对灵敏度）（相对灵敏度） Temperature coefficient 热敏电阻的温度系数指单位温度变化引起的电阻热敏电阻的温度系数指单位温度变化引起的电阻 值的相对变化量。值的相对变化量。 （单位为（单位为K-1） 温度系数是温度的函数，实质上反应热敏电阻的温度系数是温度的函数，实质上反应热敏电阻的 灵敏度的大小灵敏度的大小, , 愈大，灵敏度愈高。愈大，灵敏度愈高。 22 11 T T T dRB RdTTT T 7575 伏安特性伏安特性 Volt-ampere characteristicVolt-ampere characteristic

32、 伏安特性指热敏电阻在达到热平衡后其端电压与伏安特性指热敏电阻在达到热平衡后其端电压与 电流之间的关系。表征热敏电阻工作状态的重要特性，电流之间的关系。表征热敏电阻工作状态的重要特性， 可帮助正确选择热敏电阻的正常工作范围（工作电压）。可帮助正确选择热敏电阻的正常工作范围（工作电压）。 图2-7 NTC型热敏电阻的伏安特性 7676 耗散常数耗散常数 Dissipation constantDissipation constant 指热敏电阻在规定的环境温度下，由于自热而指热敏电阻在规定的环境温度下，由于自热而 每上升每上升11所消耗的功率，单位为所消耗的功率，单位为mw/mw/ 热时间常数热

33、时间常数 Heat time constantHeat time constant 表示在零功耗条件下，环境温度发生阶跃变化时，表示在零功耗条件下，环境温度发生阶跃变化时， 热敏电阻的温度变化达到终止温度的热敏电阻的温度变化达到终止温度的63.2%63.2%所需要的所需要的 时间。它是描述热敏电阻热惰性的重要参数，也可以时间。它是描述热敏电阻热惰性的重要参数，也可以 说是描述热敏电阻动态特性的物理量。说是描述热敏电阻动态特性的物理量。 最高工作温度最高工作温度 Highest working temperatureHighest working temperature 指热敏电阻在保证其性能符

34、合技术条件规定情况指热敏电阻在保证其性能符合技术条件规定情况 下能长期连续工作的最高温度。下能长期连续工作的最高温度。 7777 3.3 热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化 Linearization of thermistor 在恒流源激励下，以热敏电阻两端的在恒流源激励下，以热敏电阻两端的 电压作为温度指示，可用一个经适当选择电压作为温度指示，可用一个经适当选择 的电阻的电阻R RP P与热敏电阻与热敏电阻R RT T并联进行线性化。并联进行线性化。 PT PT R R R RR 7878 2 2 i PTi i BT RR BT 使并联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需使并联组合的拐点与

35、测温中点温度相吻合，所需 并联电阻值可由下式求出并联电阻值可由下式求出 其中其中 温度为温度为 处处的电阻值的电阻值 i T R i T 7979 在恒压源激励下，以流过热敏电阻的电在恒压源激励下，以流过热敏电阻的电 流作为温度指示，可用适当选择的电导流作为温度指示，可用适当选择的电导GsGs与与 GTGT串联串联, ,实现电导与温度的非线性特性的补实现电导与温度的非线性特性的补 偿。偿。 11 ST STTS G G G GGRRR 8080 21 2 i STi Si BT GG RBT 其中 温度为 处 的电导值 i T G i T 使串联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需串使串联组合

36、的拐点与测温中点温度相吻合，所需串 联电导（阻）值可由下式求出联电导（阻）值可由下式求出 8181 3.4 3.4 热敏电阻型生物传感器热敏电阻型生物传感器 凡有生物体反应的地方，大都可以观察到放凡有生物体反应的地方，大都可以观察到放 热或吸热反应的热量变化热或吸热反应的热量变化( (焓变化焓变化) )。热敏电阻生。热敏电阻生 物传感器就是以测定生化反应焓变化作为测定基物传感器就是以测定生化反应焓变化作为测定基 础。础。 若测量系统是一个绝热系统，借助于热敏电若测量系统是一个绝热系统，借助于热敏电 阻，可根据对系统温度变化的测量实现试样中待阻，可根据对系统温度变化的测量实现试样中待 测成分的测

37、定。测成分的测定。 8282 图图2-8 酶热敏电阻的测量系统酶热敏电阻的测量系统 83 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器 84 四、压电晶体型信号转换器四、压电晶体型信号转换器 4.14.1压电效应与逆压电效应压电效应与逆压电效应 压电效应压电效应某些电介质当沿一定方向施加作用力时，某些电介质当沿一定方向施加作用力时， 内部会产生极化状态的变化，同时在电介质的两个端面上内部会产生极化状态的变化，同时在电介质的两个端面上 出现符号相反的，与外力成比例的束缚电荷，当外力去掉出现符号

38、相反的，与外力成比例的束缚电荷，当外力去掉 后，又重新恢复不带电状态的现象。具有压电效应的材料后，又重新恢复不带电状态的现象。具有压电效应的材料 称其为压电体。称其为压电体。 85 逆压电效应逆压电效应指压电体在外加电场的作指压电体在外加电场的作 用下，其内部极化状态发生相应的变化，导致用下，其内部极化状态发生相应的变化，导致 电介质出现与外加电场强度成正比的应变现象。电介质出现与外加电场强度成正比的应变现象。 86 常用的压电体材料有四种：常用的压电体材料有四种： 压电晶体压电晶体 压电陶瓷压电陶瓷 压电高分子聚合物压电高分子聚合物 复合压电材料复合压电材料 其中压电晶体以石英晶体为代表，是

39、生物其中压电晶体以石英晶体为代表，是生物 传感器信号转换器常用的材料。传感器信号转换器常用的材料。 87 4.2 压电效应的产生机理压电效应的产生机理 1.1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体石英晶体(SiO(SiO2 2) )之所以存在压电效应，与它的结之所以存在压电效应，与它的结 构有关，石英晶体属六方晶系，为一正六面体结构。构有关，石英晶体属六方晶系，为一正六面体结构。 石英晶体有三个晶轴。石英晶体有三个晶轴。 垂直于晶胞平面的垂直于晶胞平面的Z Z轴轴光轴（中性轴）；光轴（中性轴）； 穿过晶胞平面六边形对角顶的穿过晶胞平面六边形对角顶的X X轴轴电轴；电轴； 垂直于六边形

40、对边的垂直于六边形对边的Y Y轴轴机械轴。机械轴。 88 ( (a a) )石英晶体的外形石英晶体的外形 X Y ( (b b) )坐标系坐标系 Z Y Z X 石英晶体石英晶体 89 + + - - - - - - Y X X Y + ( (a a) )硅氧离子在硅氧离子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b b）等效为正六边形排列的投影）等效为正六边形排列的投影 硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定 的。图中的。图中“”代表代表SiSi4+ 4+， ，“”代表代表2O2O2- 2-。 。 90 Y + +

41、+ - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 当作用力当作用力F FX X=0=0时，正、时，正、 负离子（即负离子（即SiSi4+ 4+和 和2O2O2- 2-）正 ）正 好分布在正六边形顶角上，好分布在正六边形顶角上， 形成三个互成形成三个互成120120夹角的夹角的 电偶极矩电偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如图，如图 （a a）所示。此时正负电荷）所示。此时正负电荷 中心重合，电偶极矩的矢中心重合，电偶极矩的矢 量和等于零，即量和等于零，即P P1 1P P2 2P P3 3 0 0 。 （1 1）F FX X=0=0 91 晶体沿晶体沿X X 方向产生收缩，

42、正、负电荷中心不方向产生收缩，正、负电荷中心不 再重合。再重合。 ( (P P1+1+P P2+2+P P3)3)X X00， ( (P P1+1+P P2+2+P P3)3)Y Y=0, =0, ( (P P1+1+P P2+2+P P3)3)Z Z=0=0， X X 轴的正向出现正轴的正向出现正 电荷，在电荷，在Y Y、Z Z 轴方向轴方向 则不出现电荷。则不出现电荷。 FX X Y + + + + FX (b) FX 0 + + + - - - P1 P2 P3 （2 2）F FX X0 0 92 在在X X轴的正向出现轴的正向出现 负电荷，在负电荷，在Y Y、Z Z方向方向 则不出现电

43、荷。则不出现电荷。 （P1+P2+P3）X0 Y + + + - - X- + + + FX FX P2 P3P1 + （3 3）F FX X 0 0 93 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + FX (b) FX0 Y + + + - - X- + + + FX FX P2 P3P1 + 石英晶体产生压电效应原理图石英晶体产生压电效应原理图 94 石英晶体受到石英晶体受到沿沿X轴方向的力轴方向的力Fx作用时，在作用时，在X方方 向产生正压电效应，而向产生正压电效应，而Y、Z方向不产生方向不产生压电效应。压电效应。 95 晶体沿晶体沿

44、Y 轴方向受力轴方向受力FY作用下的情况与作用下的情况与FX相相 似。当似。当FY0时，晶体的形变与图（时，晶体的形变与图（b）相似；当）相似；当 FY0时，则与图（时，则与图（c）相似。）相似。 96 由此可见由此可见，晶体沿，晶体沿Y 轴方向受力作用时，同轴方向受力作用时，同 样在样在X方向产生正压电效应，在方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产方向则不产 生压电效应，这就是为什么称生压电效应，这就是为什么称 X 轴为电轴，称轴为电轴，称 Y 轴为机械轴。轴为机械轴。 97 晶体沿晶体沿Z Z 轴方向受力轴方向受力F FZ Z的作用下，因为晶体的作用下，因为晶体 沿沿X X方向和沿方向和沿

45、Y Y方向所产生的应变完全相同，所方向所产生的应变完全相同，所 以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量 和等于零。这就表明，石英晶体沿和等于零。这就表明，石英晶体沿Z Z ( (即光轴即光轴) ) 方向受力方向受力F FZ Z作用时，晶体不产生压电效应，这就作用时，晶体不产生压电效应，这就 是为什么称是为什么称Z Z 轴为光轴。轴为光轴。 98 FXFX + + + + + + (a)(b) XX + + + + + + + + (c)(d) FY FY XX 石英晶体压电效应效果图石英晶体压电效应效果图 (a)(a)、(b)(b)为纵向压电效应效果为

46、纵向压电效应效果(c)(c)、(d)(d)为横向压电效应效果为横向压电效应效果 99 从石英晶体上切下一片平行六面体从石英晶体上切下一片平行六面体晶体晶体 切片，使它的晶面分别平行于切片，使它的晶面分别平行于X X、Y Y、Z Z轴，如图。轴，如图。 在垂直在垂直X X轴方向两面用真空镀膜或沉积法得到电轴方向两面用真空镀膜或沉积法得到电 极面，接上引线即构成压电传感器极面，接上引线即构成压电传感器。 z x y o x z y o b z o x a cy (a)(b)(c) 100 4.3 4.3 压电晶体谐振频率变化公式压电晶体谐振频率变化公式 压电石英晶体谐振频率变化量与晶体表面均匀压电石英晶体谐振频率变化量与晶体表面均匀 沉积的极薄层刚性物质质量之间成正比，即沉积的极薄层刚性物质质量之间成正比，即 是晶体吸附外来物质后谐振频率变化量（是晶体吸附