中科大新型传感器原理及应用课件06化学传感器

第六章化学传感器能将化学物质特性的变化定性或定量地转换成电信号。如：气体、离子、湿度等。第一节离子敏传感器一、MOS场效应管非饱和区：UDS<UGS-UTID=β(UGS-UT-UGS

/2)UDS

(6-1)饱和区：UDS≥UGS-UTID=β(UGS-UT)2/2(6-2)

当UGS和UDS恒定时，电流ID只与UT有关。二、离子敏场效应管（ISFET)由离子选择膜（敏感膜）和转换器构成。如图6-2b，若加入UGS,则，在待测液体和敏感膜的交界处产生界面电位φi,大小与溶液的离子活动度αi

有关。若参比电极的电位为φref，则等效的阈值电压为UT’,有：

UT’=φi+φref-UT（6-10）由上述分析，在UGS（φref）、UDS

不变的情况下，电流ID与溶液的离子活动度αi

有关。其它公式自阅。离子敏场效应管除了具有场效应管的优点外，还应具有敏感元件的一些特性：1）线性度：测量范围内电流ID和溶液中离子浓度的变化的对应特性。2）动态响应：离子活动度阶跃变化时的输出特性。3）迟滞特性：离子浓度由高变低和由低变高的输出重复程度。4）选择系数：待测溶液中，其它离子的扰动影响系数Kij.特性曲线：在ID（

IDS)不变情况下第二节气敏传感器常见气体检测方法：1）电化法2）光学法3）电气法：半导体式和接触燃烧式。优点：灵敏度高、响应速度快制作简单、价格便宜介绍两种：电阻式和MOSFET气体传感器一、电阻式气敏传感器1.原理半导体材料(如SnO2)表面吸附某些气体时，其导电率随气体浓度变化而变化。例：SnO2多晶硅（N型），内部电阻值等效为三种电阻串联：Rn—晶粒间的晶间电阻Rs—单个晶粒表面电阻Rb—单个晶粒的体电阻，不随表面气体变化Rn>>Rs则气敏电阻等效为Rn电阻率↓电阻率↑还原性氧化性分为三种：烧结型、薄膜型和厚膜型。图6-5为烧结型，SnO2。2.电阻式气敏传感器的特性优点:灵敏度高、响应速度快。缺点：温度、湿度影响较大。1）温度的影响：注意加电初期的过渡状态！2）湿度的影响湿3）催化剂和添加剂的作用二、MOSFET气敏传感器将普通MOS管的Al金属栅极换成能溶于氢气(H2)的金属钯（Pd）或铂（Pt）。半导体用P型单晶硅，电阻率1.2Ω·cm氢气→Pd栅膜表面→分解氢原子→被Pd栅膜和SiO2界面吸收→Pd电子功函数↓

→阈值电压UT改变。设无氢气时的阈值电压为UT0;

有氢气时的阈值电压为Uta,则反应氢气浓度变化△UT=Uta-

UT0

(6-13)*测量环境中有无氧气不同，见书中式6-14△UM为最大阈值变化量阈值电压变化测量电路如下：VD>VG-VT饱和2.催化金属栅场效应管传感器的特性(1)灵敏度*当有氧气时,生成的水分子降低了灵敏度.(2)温度特性:在有氧气的情况下,高温时灵敏度较好(大于100℃).(3)响应特性:当气体浓度发生阶跃变化,输出△UT达到稳态值的95%时的时间.分:响应时间和恢复时间.主要取决于氢气在Pd、SiO2，Si中的扩散速度。扩散系数大响应时间短（4）稳定性：在其他条件不变情况下，△UT随时间发生漂移。第三节湿敏传感器水分子亲和力型：水分子易于吸附并渗透。例：金属氧化物式。非水分子亲和力型：水分子不吸附并渗透。例：超声波式。一、水分子亲和力型湿敏传感器1.敏感材料氯化锂电解质(LiCl):离子晶体，遇湿离子导电状态发生变化。高分子材料：电特性（如电阻）随湿度变化。金属氧化物：吸水和脱水性好，吸水后电阻率变化。金属氧化物陶瓷：晶粒间有开放气孔，吸湿后，电阻变化。2.MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿敏传感器（1）基本物理特性：多孔气孔孔径1~3µm;耐高温。第一阶段：吸湿初期（低湿），少量水蒸气在晶界面吸附形成胫基，离解后的质子向里面晶格滚动。第二阶段：进一步吸湿（中等湿），形成水的多分子层，表面湿度增加，电阻大幅度下降。第三阶段：晶粒界全部充满水分（高湿），电极间电解质层均匀，电阻值更加降低。特点：在0~100%RH湿度范围内，电阻值可以变化5个数量级。（2）湿度传感器陶瓷特点：耐热、化学和物理特性稳定。结构：在湿敏材料（陶瓷）外两侧涂糊状氧化钌（RuO2），四周围绕加热丝，引线用铂-铱合金。氧化钌与陶瓷的热膨胀系数、粘接性一致。易于水分的吸附与脱却。测湿前，表面加热至450℃，以便去除表面污垢，改善传感器特性。传感器结构及输出特性图：（3）陶瓷湿敏传感器的特点优点：1）接触面积大，易于水蒸气的吸收和脱却。2）耐高温，物理、化学性质稳定。3）调整表面晶粒、晶粒界和气孔的构造，改善传感器特性。缺点：1）反复吸附使表面构造变化，产生滞后误差。2）蒸气量少时，平衡时间长。二、非水分子亲和力型湿敏传感器1.热敏电阻式湿敏传感器特点:热力学方法,速度快,无滞后.(1)原理及绝对湿度测量R1,R2保持200℃,R1暴露空气,R2密封.测量电桥原理:当R1置于干燥空气中时,UAB=0;置于含湿空气中,UAB≠0.测量特性受温度影响.(2)性能与特点1)混入其他气体时,影响测量精度.2)无滞后误差.3)测湿响应速度大约十几秒.4)成本较高.2.红外线吸收式湿敏传感器水蒸气可以吸收某个波段的红外线.若光源光强I0,经过吸收系数ε,含量为C的潮湿空气(长度L),光强衰减为I,则:△I=I0-I=I0(1-e-εLc)(6-16)测得I0和I后,可求出C.为提高测量精度,用双波长红外线.3.超声波式湿敏传感器利用超声波的传播速度与温、湿度相关的特性。优点：不受辐射热影响，响应速度快。缺点：对电子电路要求高。应用：气球高空测湿和温室环境测量。第四节工业废水排放的自动监测一、概述两类污染物:一类—能在环境或动植物体内积蓄，对人体健康产生长远影响。二类---长远影响小于一类的污染物质。传统检测方法：人工定期在排污出口取样检测。两类污染物最高允许排放浓度见下表。二、在线检测解决方案在线检测工业废水中的有害有机化合物。检测系统处理数据的种类：

污染量含量、有无超标、系统工作状态、传感器状态。现场无人职守，系统应有自诊断和修复功能。1.常规处理手段总体设计思路:1)对已经成熟测量的物理量(如PH值等），直接选用对应的传感器。2)通过流程检测法检测所需测量的物理量.3)通过压缩测量范围的方法提高测量精度.例:总铬(ge)的最高排放浓度1.5mg/L,则测量范围设定在(1.0~2.0)mg/L.4)运用多传感器数据融合技术,提高在线测量的准确性和可靠性.此外,为克服传感器自身的缺陷,实际中需要温度、线性补偿等辅助措施。2.温度自补偿对传感器在自然环境下产生的温漂,进行温度数据修正.3.非线性修正某些离子浓度传感器的输出电压与离子浓度之间的关系是非线性的,需要补偿.4.缩短响应时间传感器安装在能提高流体中的污染物与电极的交换速度的地方,如管道弯曲处或水位落差大的地方.5.延长传感器使用周期1)过滤2)定期清洗6.测量系统智能化1）通过微机实现数字滤波、温度误差修正、多数据融合、数据通信等多方面任务。2）了解监测系统的状态、传感器是否工作正常等，实现系统的自诊断。三、在线检测装置Ph值在线检测装置：

计算机任务：1）多数据源的数据融合，得出最佳值。2）根据传感器测量值的离散程度，判断Ph计的工作状态。3）数据存储。测量过程：打开废水阀2微机测量处理打开自来水阀1BOD检测系统：化学、生物测定方法的自动化。测量步骤：1）将磷酸盐缓冲液用定量泵注入测量池，液体温度控制在30℃左右，传感器输出信号恒定。2）泵入废水，以恒定的流量注入测量池，由于含有BOD，传感器输出新信号变化（减小）。3）计算机检测、数据处理、存储。4）关闭定量