西交大现代检测技术课件18新型传感器 气体 湿度 生物

现代检测技术

新型传感器

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声表面波简称SAW（SurfaceAcousticWave），是英国物理学家瑞利（Rayleigh）于19世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种集中在地表面传播的声波。任何固体表面都存在这种现象。某些外界因素（如温度、压力、加速度、磁场、电压等）对SAW的传播参数会造成影响，根据这些影响与外界因素之间的关系可以研制出测量各种物理、化学参数的SAW传感器。SAW瑞利波

SAW是一种沿弹性体表面传播的机械波。瑞利波质点的运动是一种椭圆偏振。在各向同性固体中，它是由平行于传播方向的纵振动和垂直于表面及传播方向的横振动合成的，两者的相位差为90度。瑞利波的能量只集中在一个波长深的表面层内，频率越高，能量集中的表面层越薄。SAW传感器Xi’anJiaotongUniversity

SAW传感器是以SAW技术、电路技术、薄膜技术相结合设计的器件，由SAW换能器、电子放大器和SAW基片及其敏感区构成，采用瑞利波进行工作。SAW换能器

换能器（IDT）是用蒸发或溅射等方法在压电基片表面淀积一层金属膜，再用光刻方法形成的叉指状薄膜，它是产生和接收声表面波的装置。SAW传感器Xi’anJiaotongUniversity敏感基片采用石英、铌酸锂（LiNbO3）等压电单晶材料制成。当敏感基片受到物理、化学或机械量扰动作用时，其振荡频率会发生变化。通过适当的结构设计和理论计算，能使它仅对某一被测量有响应，并将其转换成频率量。SAW传感器当电压加到叉指电极上时，由于压电效应，在表面产生一个相应的弹性形变。由IDT激励的声表面波沿基片表面传播。当基片或基片上覆盖的敏感材料薄膜受到被测量调制时，声表面波的频率将改变，并由接收叉指电极测得。Xi’anJiaotongUniversitySAW谐振器结构是将一个或两个叉指换能器（IDT）置于一对反射栅阵列组成的腔体中构成的。谐振器结构采用一个IDT时称为单端对谐振器，采用两个IDT时称为双端对谐振器。反射栅阵列能够将一定频率的入射波能量限制在由栅条组成的谐振腔内。SAW传感器的核心是SAW振荡器，有谐振器型（R型）和延迟线型（DL型）两种。SAW传感器Xi’anJiaotongUniversity谐振器型SAW振荡器由SAW谐振器和放大电路组成。单端对谐振器的IDT既是发射端，也是接收端；双端对谐振器中一个IDT作为发射端，另一个IDT作为接收端。将SAW谐振器的输出信号经放大后，正反馈到输入端，只要放大器的增益能够补偿谐振器及其导线的损耗，同时又满足一定的相位条件，谐振器就可以起振并维持振荡状态。SAW传感器Xi’anJiaotongUniversity当在压电基片上设置两个IDT，一个为发射IDT，另一个为接收IDT时，SAW在两个IDT中心距之间产生时间延迟，称为SAW延迟线。延迟线型SAW振荡器由声表面波延迟线和放大电路组成。输入换能器T1激发出声表面波，传播到换能器T2转换成电信号，经放大后反馈到T1以保持振荡状态。SAW传感器Xi’anJiaotongUniversity（1）高精度，高灵敏度。SAW传感器是将被测量转换为电信号频率进行测量，而频率的测量精度很高，有效检测范围线性好；对恶劣环境的抗干扰能力很强，适于远距离传输。（2）数字化。SAW传感器将被测量转换为数字化的频率信号进行传输、处理，易于与计算机接口，组成自适应实时处理系统。（3）易批量生产。SAW传感器的制作与集成电路技术兼容，极易集成化、智能化，结构牢固，性能稳定，重复性与可靠性好，适于批量生产。（4）体积小、质量轻、功耗低，可获得良好的热性能和机械性能。SAW传感器的特点Xi’anJiaotongUniversity典型的SAW传感器包括：

石英声表面波装置（ST-QuartzSAWDevice）

SAW装置检测片（SAWDeviceDetectorBlock）振幅测量系统（AmplitudeMeasurementSystem）相位测量系统（PhaseMeasurementSystem）频率测量系统（FrequencyMeasurementSystem）压力监测系统（PressureMonitoringSystem）温度控制系统（TemperatureControlSystem）温度压力检测仪（TemperatureandPressureTestApparatus）数据采集软件（DataAcquisitionSoftware）SAW传感器的组成Xi’anJiaotongUniversity1.SAW压力传感器

SAW谐振式力学量传感器包括压力传感器和加速度传感器，SAW器件在基底压电材料受到外界作用力时，谐振器的结构尺寸、压电材料的密度、弹性系数等发生变化，从而导致SAW的波长、频率和传播速度等发生变化。通过测量SAW传感器的频率变化可以得知压力的大小。

SAW压力传感器由SAW振荡器、敏感模片、基底等组成。SAW传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity

2.SAW气体传感器

SAW气体传感器是在SAW传播路径上和IDT区域淀积一层化学界面膜，当界面膜吸附被测气体后，引起SAW传播频率变化，可以通过测量SAW频率的变化测量气体浓度。已经开发出来的SAW气体传感器有SO2、水蒸气、丙酮、甲醇、氢气、H2S、NO2等传感器。SAW传感器的应用化学战剂检测器——以SAW化学传感器对化学毒剂进行检测。Xi’anJiaotongUniversity3.温度传感器当温度变化时，SAW振荡器的振荡频率会发生变化，从而可以制成SAW温度传感器。SAW温度传感器具有长期稳定性，灵敏度很高，可测量出10-4～10-6℃的微小温度变化。SAW温度传感器可以用于气象测温、粮仓测温、火灾报警等。SAW传感器的应用/commIndustry2/content.asp?contentid=149117Xi’anJiaotongUniversity4.SAW无源电子标签技术，射频识别SAW传感器的应用a，SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成。b，阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲，电子标签天线将接收到的高频脉冲通过叉指换能器转换为声表面波，并在晶体表面传播。c，反射器组将声表面波反射回叉指换能器，重新转换为高频脉冲串后通过天线发送出去。d，如果反射器组按照某种特定的规律设计，则其反射信号中将含有该物体的特定编码信息，通过解调达到自动识别的目的。Xi’anJiaotongUniversitySAW传感器的应用信号处理SAW标签询问脉冲回波脉冲询问机SAW电子标签可广泛应用于物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、超市收费和防盗、设备资产管理、邮包跟踪、航空行李分拣等领域。Xi’anJiaotongUniversity生物敏传感器是含有生物敏感元件的器件，它们能对化学成分、特别是与生物相关联的分子提供特殊而灵敏的响应。生物敏传感器的基本结构外膜片允许目标分析物渗透，但排除其它物质的进入；生物元件通过生物化学反应，将分析物转换成不同的化学成分，释放化学物质或改变分析物的电特性、机械特性、光学特性等。生物敏传感器Xi’anJiaotongUniversity生物敏传感器是分子生物学与微电子学、电化学、光学等结合的产物。它采用固定化的细胞、酶、抗体、抗原、激素等生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器利用生物特有的生化反应，有针对的对有机物进行简便而迅速的测定。它有良好的选择性，噪声低，操作简单，重复性好，能以电信号方式直接输出，容易实现检测自动化。生物敏传感器Xi’anJiaotongUniversity生物敏传感器由分子识别元件（敏感基元）和与之结合的信号转换器件（换能器）两部分组成。敏感基元是指对目标物进行选择性作用的生物活性单元。它可以是生物体成分或生物体本身。敏感基元的主要功能是特异的识别各种被测物并与之反应。换能器是指能捕捉敏感基元与目标物之间的作用过程，并将其表达为物理信号的元件。常用的换能器有电化学电极、离子敏场效应晶体管（ISFET）、热敏电阻及微光管等。生物敏传感器的组成Xi’anJiaotongUniversity

按所用分子识别元件的不同可以分为酶传感器、微生物敏传感器、组织传感器、细胞传感器、免疫传感器等；

按信号转换元件不同可以分为电化学生物敏传感器、半导体生物敏传感器、测热型生物敏传感器、测光型生物敏传感器、测声型生物敏传感器等；按对输出信号的不同测量方式又分为电位型生物敏传感器、电流型生物敏传感器和伏安型生物敏传感器。生物敏传感器的分类Xi’anJiaotongUniversity1.将化学变化转变为电信号以酶传感器为例，酶能催化特定的物质发生反应，从而使特定物质的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置与固定化酶相耦合，即组成酶传感器。常用的信号转换装置有氢离子电极、过氧化氢电极以及其它离子选择性电极、ISFET等2.将热变化转变为电信号固定化的生物物质在进行分子识别时经常伴随有热量变化，例如大多数酶反应。借助热敏电阻可以把反应的热转变为电阻值的变化完成热电转换。生物敏传感器的工作方式Xi’anJiaotongUniversity3.将光效应转变为电信号有些酶能催化产生化学发光，例如过氧化氢酶能催化过氧化氢产生化学发光。许多酶反应都伴随有过氧化氢产生，如果将过氧化氢酶同其它催化酶一起做成复合酶膜，再与光电流测定装置相连，就可以通过测定光电信号来检测所发生的化学反应。4.直接产生电信号方式分子识别元件同待测物质发生化学反应时伴随的电子转移、微生物细胞氧化等电信号的变化可以直接或通过电子传递体的作用由电极导出。生物敏传感器的工作方式Xi’anJiaotongUniversity场效应晶体管生物敏传感器由分子识别部分（感受器）和信号转换部分（换能器，FET）两部分构成。感受器部分主要指一种膜，生物敏感物质附着其上或包含在膜中。待测物质与敏感物质接触时，发生物理或化学变化，这种变化通过离子敏场效应晶体管（ISFET）转换成电信号输出。场效应晶体管（FET）Xi’anJiaotongUniversity酶场效应晶体管由酶膜和ISFET构成，ISFET多为对H+敏感的pH－ISFET。把酶膜固定在栅极绝缘膜（Si3N4-SiO2）上。进行测量时，由于酶的催化作用，使待测的有机分子反应生成ISFET能够响应的离子。Si3N4表面离子浓度变化时，表面电荷将发生变化，场效应晶体管栅极对表面电荷非常敏感，由此引起栅极的电位变化，从而对漏极电流进行调制。酶场效应晶体管Xi’anJiaotongUniversity1.葡萄糖－FET

测定葡萄糖的酶传感器由对H+敏感的pH－ISFET和固定在栅极上的葡萄糖氧化酶膜构成。H+浓度变化，离子敏感膜的界面电位发生变化。根据ISFET的特性，当其漏极电流、漏－源电压恒定时，栅极电压的变化量正比于溶液中pH值的变化量。因此，采用恒压电路可将栅压的变化由记录仪描绘下来。pH变化量又与葡萄糖含量有关，所以该系统可以用于葡萄糖测定。酶场效应晶体管Xi’anJiaotongUniversity2.尿素酶－FET

临床检查上，定量分析血清和体液中的尿素，对于肾功能衰竭患者的诊断是必不可少的。尿素在尿素酶的催化作用下，按下式分解：尿素－尿素酶反应时消耗溶液中的H+，尿素酶－FET的工作原理就是利用ISFET检验尿素－尿素酶反应时溶液中的pH值发生的变化。酶场效应晶体管Xi’anJiaotongUniversity生物敏传感器的特点和应用：

灵敏性、专一性、快速反应、只需少量样品等，可能代替生物鉴定和显微分析，已用于物质快速测量、食品和医药测试、环境检测等。生物敏传感器3.青霉素－FET

将青霉素酶涂覆在H+－ISFET栅上，就构成了青霉素酶场效应晶体管，可以用来测定青霉素的效价。青霉素水解为青霉菌酸（Penicilloicacid）放出H+，使电极表面的pH值下降，降低值与待测样品中青霉素含量有关。这种青霉素－FET检测青霉素浓度的线性范围为0.2～2.5mmol/L，响应时间约为10s。Xi’anJiaotongUniversity气敏传感器气敏传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或者器件，能将气体种类与其浓度有关的信息转换成电信号（电压或电流）。易燃易爆气体（氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化石油气等）；有害气体（一氧化碳、氟利昂、氨气等）本节介绍接触燃烧式气体传感器、半导体气体传感器、氧气传感器Xi’anJiaotongUniversity名称检测原理、现象代表性气敏元件及材料检测气体半导体气敏元件电阻型表面控制型SnO2、ZnO、In2O3、WO3等可燃性气体、C2H2CO、C-Cl2-F2、NO2等体控制型γ－Fe2O3、TiO2、Nb2O5等可燃性气体O2、CnH2n、CnH2n-2、CnH2n+2等非电阻型二极管整流作用Pd/CdS、Pd/TiO2、Pd/ZnO等H2、CO、SiH4等FET气敏元件以Pd、Pt、SnO2为栅极的MOSFETH2、CO、H2S、NH3电容型Pd-BaTiO3、CuO-BaSnO3、CuO-BaTiO3、Ag-CuO-BaTiO3等CO2固体电解质气敏元件电池电动势CaO-ZrO2、Y2O3-ZrO2、Y2O3-TiO2等O2、卤素、SO2、SO3等混合电位CaO-ZrO2、有机电解质等CO、H2电解电流CaO-ZrO2、YF6、LaF3O2电流Sb2O3·nH2OH2接触燃烧式燃烧热（电阻）Pt丝＋催化剂可燃性气体电化学式恒电位电解电流气体透过膜＋贵金属阴极＋贵金属阳极CO、NO、SO2、O2伽伐尼电池式气体透过膜＋贵金属阴极＋贱金属阳极O2、NH3其他类型红外吸收型、石英振荡型、光导纤维型、热传导型、异质结构、气体色谱法、声表面波气体传感器无机气体和有机气体Xi’anJiaotongUniversity接触燃烧式气体传感器检测原理：可燃性气体（H2、CO、CH4等）与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使铂丝温度升高、电阻值增大。一般可燃气体都可以完全燃烧，通过检测铂丝的电阻变化值，即可检测空气中可燃气体含量。气敏元件内部示意图Xi’anJiaotongUniversity接触燃烧式气体传感器检测元件电阻温度系数×接触燃烧引起的温度增值与检测元件、气体种类、催化剂等有关的常数b×可燃气体浓度mXi’anJiaotongUniversity接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气敏元件感应特性示意图Xi’anJiaotongUniversity半导体气体传感器检测原理：以金属氧化物半导体为基础材料，当被测气体在该半导体表面吸收后，引起其电学特性（如电导率）发生变化。特性参数：电阻值：常温下洁净空气中的固有阻值；灵敏度：电阻比灵敏度、气体分离度、输出电压比灵敏度；分辨力：对被测气体的识别力和对干扰气体的抑制能力；响应时间：从接触被测气体到达到稳态值的63%所需时间；恢复时间：从离开被测气体到洁净空气中阻值的63%；加热电阻和加热功率：为气敏元件提供所需工作温度（200摄氏度以上）。Xi’anJiaotongUniversity半导体气体传感器表面电阻控制型——N型氧化物半导体吸附气体后阻值变化表面吸附的气体改变了载流子（电子或空穴）的浓度。代表性材料：SnO2、ZnO、WO3

。Xi’anJiaotongUniversity半导体气体传感器体电阻控制型

——γ－Fe2O3气敏元件对不同气体的响应特性

γ－Fe2O3对丙烷和异丁烷（液化石油气主要成分）灵敏度高，被称为“城市煤气传感器”代表性材料：γ－Fe2O3、TiO2Xi’anJiaotongUniversity半导体气体传感器SnO2气敏元件烧结型厚膜型薄膜型Xi’anJiaotongUniversity氧气传感器检测原理氧化物半导体型在一定温度下，金属氧化物的电导率与氧分压有关：当氧分压很低时，氧化物中的氧原子向外逸出，氧化物呈现以电子为多数载流子的N型导电性，其电导率随氧分压的降低而增大；当氧分压很高时，氧化物中的氧原子过剩而形成金属原子空位，呈现以空穴为多数载流子的P型导电性，其电导率随氧分压的增大而增大；当氧分压处于中间状态时，电子或空穴都很少，导电性为离子导电。代表性敏感材料：N型TiO2、Nb2O5，属于体电阻控制型。Xi’anJiaotongUniversity氧气传感器浓差电池型固体电解质（氧化锆ZrO2）具有氧离子导电性；在纯净氧化锆中添加不同比例的氧化钙或三氧化二钇，其导电性将发生改变。

当两侧氧气浓度不同时，高浓度一侧的氧从Pt电极上得到电子，以离子形式向低浓度一侧迁移，并使低浓度一侧铂电子带负电。常用于检测发动机空燃比、钢水含氧量、环境氧测定等。工作温度大于600℃Xi’anJiaotongUniversity电子鼻基本概念：是一种能够感知和识别气味的电子系统，即电子嗅觉系统，由一个具有部分专一性的电子化学传感器阵列和一个合适的模式识别系统组成，能够识别单一的或复合的气味或气体。Xi’anJiaotongUniversity电子鼻气体传感器阵列主要采用金属氧化物半导体型、电导聚合物（CP）型、石英晶体微天平（QCM）型、声表面波（SAW）型、MOS场效应晶体管（MOSFET）型等。信号处理系统：对采集的n维向量信号进行某些处理，为模式识别做准备。模式识别系统：通过训练学习建立判别模型，再用所得模型对未知气味进行判定。Xi’anJiaotongUniversity湿敏传感器

湿度直接关系到产品的质量，精密仪器、半导体集成电路元器件制造、气象、医疗、食品加工等。湿敏传感器根据所用材料不同，分为：电解质型——氯化锂为例，易潮解，电阻随湿度升高而减小；陶瓷型——以金属氧化物制成的多孔陶瓷，其阻值对水蒸气含量敏感。高分子型——在绝缘基板上蒸镀梳状电极，在基板上涂覆有机高分子感湿膜，原理因材料而异。半导体型——单晶硅，二极管型、MOSFET型，易集成。Xi’anJiaotongUniversity湿敏传感器湿度表示法质量百分比和体积百分比：水蒸气/混合气体*100%相对湿度（RH）：在一定温度下，水蒸气压同饱和蒸气压的百分比；绝对湿度：单位体积空气所含水蒸气的质量（g/m3）；露（霜）点：在同样的空气水蒸气压下，温度降低时，饱和蒸气压随之降低