《传感器技术与应用》课件-10.3半导体式化学传感器

传感器原理与应用10.3半导体式化学传感器TRANSDUCER课

程

内

容CourseContents10.1气敏传感器10.2湿敏传感器10.3离子敏传感器课程内容CourseContents10.1气敏传感器10.2湿敏传感器10.3离子敏传感器湿度10.3半导体传感器10.３离子敏传感器除纯净的水外，水中总会有溶解或悬浮的其它物质。快速、准确地测出水中的某些物质含量对我们生存起着重要作用。离子敏传感器就是用来检测水中氰、钾、钠、钙、氯、溴、碘、氢等各种离子浓度（活度）的传感器。10.3半导体传感器10.３离子敏传感器溶解氧分析仪便携式微量溶解氧仪水质检测仪器纯水测试仪10.3半导体传感器10.３离子敏传感器水质检测仪器便携式盐度计笔式酸度计酸度计便携式浊度测定仪10.3半导体传感器10.３离子敏传感器浓度与活度的比值为离子活度系数。溶液中离子浓度（活度）是指含离子的多少，活度单位：mol(摩尔）/l或ppm

氢离子浓度对化学生物反映起着支配作用，为判断水中氢离子浓度（活度）用一个特殊的量值“PH值”来表示。PH计10.3半导体传感器10.３离子敏传感器

测量溶液（体液）中离子浓度的微型固态电化学器件，是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。10.3半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理

离子敏传感器由离子选择电极（ISE）-氧化物-半导体（MOSFET）组成，

简称ISFET-离子场效应晶体管。10.3半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理与普通MOSFET管结构不同之处是没有金属栅极；

在绝缘栅极上制作一层敏感膜，测量时将绝缘栅膜直接与被测溶液接触。

离子传感器是通过测定溶液与电极的界面电位来检测溶液中离子浓度。10.3半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理

将普通MOSFET的金属栅去掉，让绝缘氧化层直接与溶液相接触，栅极用铂金属膜作引线，在铂膜上涂一层离子敏感膜，构成离子敏场效应管-ISFET。敏感膜种类很多，不同敏感膜检测离子种类不同，具有离子选择性；10.3半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理如：Si3N4—氮，SiO2、Al2O3（无机膜），可测H+（氢）、PH。10.3半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理

SiO2层与栅极间无金属电极，而是待测溶液，溶液与参比电极同时接触充当栅极构成场效应管，使用方法与普通管没有区别。工作原理与场效应管相似。10.3半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理

SiO2层与栅极间无金属电极，而是待测溶液，溶液与参比电极同时接触充当栅极构成场效应管，使用方法与普通管没有区别。工作原理与场效应管相似。用于各种衡器10.3半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理

将ISFET和参考电极组成高内阻器件，接入放大器输出与输入间作为反馈电路器件，这可获得较高的闭环增益。电路中只要VS稍有变化，V0可有较大输出。调节电阻器W使电路工作在饱和区，使电路满足VDS＞（VGS’～VT）。反馈补偿输入电路：10.3半导体传感器10.３.２离子敏传感器测量电路运放输入端为零时VS≈Vf；Vf为放大器A同相端调整电压。因为IDS=VS/RS不变，因此有:10.3半导体传感器10.３.２离子敏传感器测量电路EM是参比电极电位，代表一定浓度，只要检测出V0即可知道EM变化。

电路中V0变化实际补偿了由于EM变化引起的IDS变化部分，最终能使IDS恒定，所以称反馈补偿输入电路。10.3半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器

电离室由H1和H2两个电极组成，电极之间有放射性同位素镅-241（Am241）,可放出α射线，并在两电极之间发生电离，产生正、负离子，在外加电压E作用下形成电离电流。

离子敏感烟传感器——是一种射线传感器10.3半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器

当外电离室有烟雾进入时，离子被吸附到烟雾颗粒上，由于烟雾颗粒比离子大1000倍左右，故在电场中的移动速度比原来的速度慢，而且在移动过程中离子中和的机会增多，最终使离子电流相应减小。

烟雾数量越多，离子电流越小，相当等效电阻增加。10.3半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器离子感烟传感器：

离子感烟传感器结构是两个电离室，内电离室是密封的，无烟雾离子进入，离子电流恒定。

离子感烟传感器的结构设计为内、外电离室串联连接方式，外电离室等效电阻随烟雾数量变化，可等效为可变电阻Rp，而内电离室电阻R不变。电源E分压后供控制电路。10.3半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器UD-O2型烟雾传感器用于各种衡器10.3半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器离子敏感烟传感器额定电压：DC7——12V；电流：27±3pA；离子元素：镅241、33.3KBq；环境温度：0－50℃；环境湿度：95％RH以下；清净大气中输出值：5.6±0.4V；棉芯2％／foot烟灵敏度：0.6±0.1V。

烟雾传感器NIS-09CNIS-05A：适用各种高灵敏度烟雾探测器、火灾报警器等。用于各种衡器10.3半导体传感器本章要点湿敏传感器，氯化锂湿敏电阻、半导体陶瓷湿敏电阻测湿原理；气敏传感器，半导体气敏传感器类型及结构，电阻型半导体气敏传感器、非电阻型半导体气敏传感器工作原理及应用方法；离子敏传感器工作机理。思考题和习题

10.1什么是半导体气体传感器？它有哪些基本类型？气体传感器的发展动态如何?

10.4半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作？加热方式有哪几种？加热丝可以起到什么作用？

10.2半导体气体传感器主要有哪儿种结构？各种结构气体传感器的特点如何？

10.3如何提高半导体气体传感器的选择性？根据文献举例说明。查找文献说明近期有什么新的气体传感器。思考题和习题10.5什么是绝对湿度？什么是相对湿度？10.8简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。10.6湿度传感器主要分为哪几类？主要参数有哪些？10.7简述氯化锂湿度传感器的感湿原理。10.9半导体陶瓷有那些特点？多孔硅湿敏元件有那些特点？10.10试述离子选择电极的结构与测量原理