現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器

1、現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器 現(xiàn)代傳感器技術(shù) 面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 第三篇第三篇 參量測(cè)量傳感器參量測(cè)量傳感器 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器2 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.1 化學(xué)傳感器概述化學(xué)傳感器概述 0）相關(guān)概念）相關(guān)概念 含義含義：以化學(xué)物質(zhì)成分(類別和含量)為檢測(cè)參數(shù)的傳感器. 原理：原理：利用敏感材料與被測(cè)物中的分子、離子或生物物質(zhì)接 觸時(shí)引起的電極電勢(shì)、表面化學(xué)勢(shì)的變化或發(fā)生的表面化學(xué) 反應(yīng)或生物反應(yīng)，由此直接或間接地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 特殊性特殊性：其機(jī)理比物理傳感器的復(fù)雜，特別是在許多化學(xué)物 質(zhì)中選擇性地檢測(cè)出某種特定物質(zhì)較為困難。

2、趨勢(shì)趨勢(shì)：一方面對(duì)化學(xué)傳感器的需求越來(lái)越大，另一方面，信 息技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，加速了化學(xué)傳感技術(shù)的進(jìn)步，使具有高選 擇性、高靈敏度、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)的化學(xué)傳 感器得以出現(xiàn)，從而使有限的人類的化學(xué)感覺(jué)在廣度和深度 上得到了更大延伸。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器3 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.1 化學(xué)傳感器概述化學(xué)傳感器概述 1）化學(xué)傳感器的構(gòu)成與分類化學(xué)傳感器的構(gòu)成與分類 構(gòu)成及特點(diǎn)：構(gòu)成及特點(diǎn)：化學(xué)敏感層和物理轉(zhuǎn)換器結(jié)合構(gòu)成化學(xué)傳感器 敏感層的作用是與目標(biāo)分析物發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)換器將上述 相互作用轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些轉(zhuǎn)換器通常是物理量傳感器。 化學(xué)傳感器基本組成：如圖

3、所示，被測(cè)化學(xué)物質(zhì)先與敏感膜 發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)換器將這種相互作用轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)檢 測(cè)電路調(diào)理后，給出相應(yīng)輸出信號(hào)。其中，敏感膜直接與測(cè) 量環(huán)境接觸，是影響整個(gè)微傳感器性能的關(guān)鍵。 分類分類：根據(jù)所用的信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)分為電化學(xué)、光化學(xué)、質(zhì)量 化學(xué)和熱化學(xué)等四種傳感器。 化學(xué)傳感器的基本組成 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器4 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.1 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器概述概述 2）主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 衡量化學(xué)傳感器的主要指標(biāo)主要指標(biāo)：物質(zhì)選擇性(也稱抗干擾能力)、 檢測(cè)極限、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等。 不同類型的傳感器特點(diǎn)不同： 電化學(xué)傳感器選擇性好、檢測(cè)極限適中，

4、準(zhǔn)確度滿足大多 場(chǎng)合使用要求，但穩(wěn)定性較差，在醫(yī)療醫(yī)藥等場(chǎng)合很多是 一次性使用； 光化學(xué)傳感器各方面表現(xiàn)均優(yōu)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂； 質(zhì)量化學(xué)傳感器在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)良，但精度較低，選 擇性較差； 熱化學(xué)傳感器穩(wěn)定性好，精度較低，選擇性因場(chǎng)合而定。 化學(xué)傳感器往往類比于人類的嗅覺(jué)和味覺(jué)化學(xué)傳感器往往類比于人類的嗅覺(jué)和味覺(jué)，因此，化學(xué)傳 感器以氣敏傳感器、離子敏傳感器為主。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器5 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2 氣體傳感器氣體傳感器 8.2.1 氣體傳感器氣體傳感器概述概述 1）背景）背景 概念：概念：能感受氣體(組分、分壓)并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳

5、感器，主要利用物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)等工作。 需求需求：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高， 對(duì)易燃、易爆、有毒、有害氣體的及時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)要求， 已從能源、石化等領(lǐng)域擴(kuò)展到人們的生活和工作環(huán)境。 氣體傳感器主要檢測(cè)對(duì)象從煤氣、液化石油氣、天然氣及 礦井中瓦斯氣體等還原性氣體擴(kuò)大到有毒性氣體（CO、 NO2、H2S、NO、NH3、PH3等）和與食品有關(guān)的氣體（魚 肉鮮度（CH3）3、醋酸乙酯等） 范圍。 探測(cè)有毒、有害氣體，監(jiān)測(cè)大氣污染、工業(yè)廢氣以及檢測(cè) 食品和居住環(huán)境質(zhì)量都對(duì)氣體傳感器提出了更高要求。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器6 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.1 氣

6、體傳感器氣體傳感器概述概述 2）氣體傳感器的分類氣體傳感器的分類 按氣敏特性分類分類：半導(dǎo)體(電阻型和非電阻型)、電化學(xué)式(恒 電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質(zhì))、熱傳導(dǎo)型(接觸 燃燒式)、光化學(xué)型(光干涉式、紅外線吸收式)、聲表面波型 (高分子)、氣體色譜法等。 3）氣體傳感器的選用氣體傳感器的選用 理想的氣體傳感器需具備以下條件： 選擇性檢測(cè)某種單一氣體，對(duì)其他氣體不響應(yīng)或低響應(yīng). 對(duì)被測(cè)氣體靈敏度高，能檢測(cè)允許范圍內(nèi)的氣體濃度. 對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)快，重復(fù)性好. 長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好. 使用壽命長(zhǎng). 成本低，使用維護(hù)方便。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器7 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳

7、感器 8.2.1 氣體傳感器氣體傳感器概述概述 3）氣體傳感器的選用氣體傳感器的選用 由于氣體種類繁多，一種類型的氣體傳感器只能檢測(cè)一種 或兩種特定性質(zhì)氣體，在氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前決定選用哪 種傳感器以滿足條件和特征要求，應(yīng)考慮應(yīng)用環(huán)境條件、 干擾氣氛、精度和壽命要求、結(jié)構(gòu)尺寸、費(fèi)用及可靠性要 求等，并對(duì)各種因素進(jìn)行權(quán)衡研究。 氣體傳感器氣體傳感器的的主要主要現(xiàn)存現(xiàn)存問(wèn)題問(wèn)題： 元件的穩(wěn)定性差、參數(shù)值分散性大、選擇性差、“異常敏 化”問(wèn)題產(chǎn)生的誤差、催化劑中毒、使用壽命短，以及 SnO2和Fe2O3系列的氣敏元件有時(shí)因靈敏度過(guò)高導(dǎo)致誤報(bào)， 但在檢測(cè)某些低濃度氣體時(shí)，靈敏度卻難以達(dá)到要求。 202

8、1-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器8 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 1）半導(dǎo)體式氣半導(dǎo)體式氣敏元件原理與分類敏元件原理與分類 原理原理：利用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物制成的元件與 氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起以載流子運(yùn)動(dòng) 為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化等氣敏特性來(lái) 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。 分類分類：根據(jù)氣敏機(jī)理不同分為電阻式電阻式和非電阻式非電阻式兩種。 電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器利用半導(dǎo)體材料因吸附氣體引起 半導(dǎo)體元件電阻值變化的特性制成。 利用半導(dǎo)體表面吸附氣體引起半導(dǎo)體電阻改變的稱表面電表面電 阻控制型阻控制型，如SnO2、ZnO、W

9、O3等； 利用半導(dǎo)體材料的體電阻因吸附氣體引起半導(dǎo)體電阻值改 變的稱體電阻控制型體電阻控制型，如Fe2O3，TiO2等氧化物半導(dǎo)體氣體 微傳感器。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器9 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 2）典型電阻式氣敏元件典型電阻式氣敏元件 (1) SnO2氣敏元件氣敏元件 以典型N型半導(dǎo)體材料SnO2為基材制備，是目前應(yīng)用最 廣的一種氣敏元件；檢測(cè)對(duì)象包括CH4、C3H8、CO, C2H5OH、H2S等可燃性氣體和呼出氣體中的酒精、NO等。 相對(duì)相對(duì)其他氧化物半導(dǎo)體氣敏元件其他氧化物半導(dǎo)體氣敏元件的的特點(diǎn)特點(diǎn)： 工作溫度

10、低。其最佳工作溫度在300以下，可節(jié)約能源節(jié)約能源 并延長(zhǎng)氣敏元件的使用壽命。 在一般檢測(cè)范圍內(nèi)(被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)為102104 L/L)， 其電阻率變化范圍大，輸出信號(hào)強(qiáng)，無(wú)需高倍放大，因而 信號(hào)處理較方便。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器10 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 (1) SnO2氣敏元件氣敏元件 原理：原理：SnO2元件能與空氣中電子親和性大的氣體（O2和NO2 等）反應(yīng)形成吸附氧。這使N型材料的表面空間電荷層的傳 導(dǎo)電子減少，從而使器件處于高阻狀態(tài)。在與被測(cè)氣體 （如H2、CO）接觸時(shí)，氣體與吸附氧發(fā)生反應(yīng)，將元件表

11、面被氧束縛的電子釋放，使表面電導(dǎo)增加、器件電阻減小。 性能改善方法：性能改善方法：常在SnO2材料中加入添加劑，如添加2% 5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的貴金屬（Pt、Pd等）可提高其靈敏度提高其靈敏度， 添加微量稀土元素可大大提高其氣體識(shí)別能力提高其氣體識(shí)別能力，添加適量 的氧化銀以及少量四氯化錫、酸洗石棉則對(duì)乙炔有很好的 選擇性選擇性，添加少量氧化物（如Sb2O3，VO5，MgO等）可改 變其熱穩(wěn)定性及響應(yīng)特性熱穩(wěn)定性及響應(yīng)特性。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器11 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 (1) SnO2氣敏元件氣敏元件 SnO2元件

12、有燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型3種，其中以厚膜型和 薄膜型最常見(jiàn)。 厚膜型SnO2元件是用絲網(wǎng)印刷技 術(shù)制備而成，其機(jī)械強(qiáng)度和一致 性都較好，且與厚膜混合集成電路工藝相容，將氣敏元件 與阻容元件制作在同一基片上，如上圖所示。 薄膜型SnO2氣敏元件(如下圖所示)的工作溫度較低（約 250 ），有很大的比表面積(表面積與 元件高度的比值)，自身的活性較高，氣 敏性很好，催化劑“中毒”不十分明顯。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器12 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 (1) SnO2氣敏元件氣敏元件 超微粒薄膜超微粒薄膜：SnO2微粒尺寸在100

13、nm以下的薄膜。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：超微粒薄膜有巨大的比表面積巨大的比表面積和很高的表面活性很高的表面活性， 在較低溫度下能與吸附氣體發(fā)生化學(xué)吸附，因而功耗小， 靈敏度高。 超微粒薄膜型SnO2氣敏元件結(jié)構(gòu)如圖所示。這種元件以硅 為基片，與半導(dǎo)體集成電路的制作有較好的工藝相容性， 可與配套電路制作在同一基片，便于應(yīng)用，且選擇性好， 靈敏度高，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間快。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器13 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 (2) ZnO氣敏元件氣敏元件 ZnO是N型半導(dǎo)體，其物理、化學(xué)性能穩(wěn)定。ZnO元件的工 作溫度較高(400450)，因

14、此其發(fā)展不及SnO2元件快。 ZnO氣敏元件可分為燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型3種。 一種ZnO薄膜酒精敏感元件的結(jié)構(gòu)如下圖。在A12O3基片上 先做叉指型金電極，并在基片背面制作阻值約20的耐高溫 薄膜電阻作為加熱器。通常，在ZnO薄膜表面摻雜鑭、錯(cuò)、 釔、鏑和釓等稀土元素的一種或數(shù)種，以提高靈敏度和選 擇性，可獲得對(duì)酒精特別敏感，對(duì)甲烷、一氧化碳及汽油 等較靈敏的酒精敏感元件。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器14 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 (2) ZnO氣敏元件氣敏元件 多層式ZnO氣敏元件：先在絕緣基片上涂敷或淀積ZnO薄膜， 再

15、在ZnO層上涂敷一層貴金屬作催化劑層，促進(jìn)對(duì)氣體的吸 附，提高氣敏性和選擇性。 下圖為鉑銥復(fù)合型ZnO氣敏元件結(jié)構(gòu)圖。以鉑銥合金為基片， 用印刷制膜法在正面制作RuO2電極A、B和ZnO層，在背面 制作RuO2電極C，在乙醇?xì)夥罩袦y(cè)A與B間的電阻變化，同 時(shí)還可用A或B與電極C測(cè)元件與溫度的關(guān)系。 鉑銥促進(jìn)對(duì)氧和乙醇的吸附，RuO2促進(jìn)乙醇的氧化作用， 因而這種傳感器對(duì)乙醇的靈敏度較高。 將SnO2摻雜到ZnO中，充分利用各自優(yōu) 勢(shì)，較好地改善氣敏性能。研究表明， SnO2和ZnO形成的復(fù)合氧化物在靈敏度、 選擇性及工作溫度等方面有突出優(yōu)勢(shì)。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器15

16、8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.2 半導(dǎo)體式氣體傳感器半導(dǎo)體式氣體傳感器 3) 非電阻式非電阻式半導(dǎo)體半導(dǎo)體氣敏元件氣敏元件 種類：種類：非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件有MOS二極管式、結(jié)型二 極管式和場(chǎng)效應(yīng)管式（MOSFET）等。 應(yīng)用：應(yīng)用：其電流或電壓隨氣體含量而變化，主要檢測(cè)氫和硅 烷氣等可燃性氣體。 工作原理：工作原理：MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機(jī)化合 物（VOC）與催化金屬接觸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到 MOSFET的柵極，改變了元件的性能。 通過(guò)分析元件性能的變化識(shí)別VOC；通過(guò)改變催化金屬的 種類和膜厚優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工作溫度。 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：MOSFET氣體

17、傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復(fù) 雜，成本高。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器16 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器 原理：原理：電化學(xué)式氣體傳感器利用電化學(xué)原理將感受的氣體 轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)。 分類：分類：按電解質(zhì)的不同可分為液體電解質(zhì)液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)， 而液體電解質(zhì)又分為電流型電流型和電位型電位型。 1）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器 電流型氣體傳感器電流型氣體傳感器：以：以電化學(xué)電池中工作電極與對(duì)比電極 之間響應(yīng)電流為檢測(cè)信號(hào)的氣體傳感器。它將氣體與電解 質(zhì)溶液反應(yīng)而產(chǎn)生的電解電流作為傳感器輸

18、出。 (1) 原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器 被檢測(cè)氣體在原電池中能產(chǎn)生自發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的氣體傳感 器稱為“伽伐尼電池型”氣體傳感器。它通過(guò)檢測(cè)電流來(lái)檢 測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器17 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器 1）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器 (1) 原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器原電池（伽伐尼電池）型氣體傳感器 氧氣傳感器廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng) 殖業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等需要監(jiān)測(cè)或監(jiān)控氧濃度的領(lǐng)域。 英國(guó)Alphasense公司的O2-A2型

19、氧傳感器屬于隔膜(galvanic) 電池型氧氣傳感器。如圖所示，其工作原理：氧透過(guò)隔膜 后溶解在隔膜與陰極間的薄層電解液中，當(dāng)氧達(dá)到陰極表 面時(shí)被還原，外電路有負(fù)載時(shí)，電流與 氧體積分?jǐn)?shù)成正比，測(cè)得電壓或電流可 求得氧體積分?jǐn)?shù)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不需要外電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需 熱源，工作電流小，是較理想的小型氧 氣傳感器。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器18 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器 1）電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器電流型液體電解質(zhì)氣體傳感器 (2) 可控電位電解式氣體傳感器可控電位電解式氣體傳感器 可控電位電解式氣體傳感器通過(guò)測(cè)電解時(shí)

20、流過(guò)的電流 來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。 和原電池型氣體傳感器的不同和原電池型氣體傳感器的不同：它需要外加特定電壓，在 保持電極和電解質(zhì)溶液的界面為某恒電位時(shí)，將氣體直接 氧化或還原，并將流過(guò)外電路的電流作為傳感器輸出。 該傳感器除了能檢測(cè)CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體外， 還能檢測(cè)血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。 Alphasense公司的NO2-A1型NO2傳感器屬于此類型。 現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器 2）電位型液體電解質(zhì)氣體傳感器電位型液體電解質(zhì)氣體傳感器 檢測(cè)信號(hào)為電化學(xué)電池中工作電極電位變化的氣體傳感器 原理原理：將

21、溶解于電解質(zhì)溶液并離子化的氣態(tài)物質(zhì)的離子作 用于離子電極，把產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)作為傳感器輸出，從而利 用電極電勢(shì)和氣體體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)氣體測(cè)量。 濃差電池式氣體傳感器主要利用兩個(gè)電極之間的化學(xué) 電位差，一個(gè)在氣體中測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)；另一個(gè)是固定 的參比電極。 工作原理工作原理：氣敏材料吸收氣體時(shí)形成濃差電池，測(cè)量輸出 的電動(dòng)勢(shì)就可測(cè)出氣體體積分?jǐn)?shù)。 目前的氣敏材料主要有聚乙烯醇磷酸等材料。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器20 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器 3）固體電解質(zhì)型氣體傳感器固體電解質(zhì)型氣體傳感器 指檢測(cè)電池電解質(zhì)為高溫固體電解

22、質(zhì)、快離子導(dǎo)體或高聚 物電解質(zhì)的氣體傳感器。 原理：原理：通常采用極限電流型原理，利用氣體通過(guò)薄層透氣 膜或毛細(xì)孔擴(kuò)散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳輸條件，產(chǎn) 生正比于氣體體積分?jǐn)?shù)或分壓的極限擴(kuò)散電流正比于氣體體積分?jǐn)?shù)或分壓的極限擴(kuò)散電流。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好。 應(yīng)用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍 僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器21 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.3 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器 3）固體電解質(zhì)型氣體傳感器固體電解質(zhì)型氣體傳感器 近來(lái)，國(guó)外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)型氣體傳感器分為3類: 材

23、料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子 相同的傳感器，如氧氣傳感器。 材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子 不相同的傳感器，如用于測(cè)量氧氣的由固體電解質(zhì)SrF2H和 Pt電極組成的氣體傳感器。 材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子 以及材料中的固定離子都不相同的傳感器，如新開(kāi)發(fā)的高 質(zhì)量CO2固體電解質(zhì)氣體傳感器，是由固體電解質(zhì)NaSiCON （Na3Zr2Si2PO12）和輔助電極材料Na2CO3-BaCO3或Li2CO3- CaCO3、Li2CO3-BaCO3組成的。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器22 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.4 熱

24、化學(xué)氣體傳感器熱化學(xué)氣體傳感器 熱化學(xué)氣體傳感器主要有接觸燃燒式氣體傳感器、熱導(dǎo)式 氣體傳感器等。 1）接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器 這類傳感器基于強(qiáng)催化劑使可燃性氣體在其表面燃燒時(shí)產(chǎn) 生熱量，導(dǎo)致敏感元件溫度上升，使得貴金屬電極電導(dǎo)隨 之變化的原理。 與半導(dǎo)體傳感器的不同：它幾乎不受周圍環(huán)境濕度影響。 分類分類：直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式 這種傳感器對(duì)不燃燒氣體不敏感，有時(shí)稱為熱導(dǎo)性傳感器， 適用于石化工廠、礦井、隧道和浴室、廚房的可燃性氣體 的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)處于爆炸 下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器2

25、3 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.4 熱化學(xué)氣體傳感器熱化學(xué)氣體傳感器 2）熱導(dǎo)式氣體傳感器熱導(dǎo)式氣體傳感器 原理原理：基于氣體不同，其熱傳導(dǎo)率熱傳導(dǎo)率也不同的原理。熱導(dǎo)式 氣體傳感器是利用被測(cè)組分和參考?xì)獾臒釋?dǎo)系數(shù)不同而響 應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)型檢測(cè)器，有的也稱為熱絲檢測(cè)器或熱導(dǎo)計(jì)， 它是知名的整體性能檢測(cè)器，屬于物理常數(shù)檢測(cè)器。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，定量準(zhǔn)確，價(jià)格低廉，經(jīng)久 耐用，屬于非破壞性檢測(cè)器。 熱敏元件是熱導(dǎo)式氣體傳感器的感應(yīng)元件， 其阻值隨溫度而變。它選用5%的錸鎢絲做 熱敏元件。其電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、 強(qiáng)度好、耐氧化、耐腐蝕。熱導(dǎo)式氣體傳感 器的結(jié)構(gòu)如圖所示。 2

26、021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器24 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.5 其他氣體傳感器其他氣體傳感器 1）光學(xué)式氣體傳感器光學(xué)式氣體傳感器 光學(xué)式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、 光纖化學(xué)材料型等，以紅外吸收型氣體分析儀為主。 紅外吸收型氣體分析儀紅外吸收型氣體分析儀原理原理：由于不同氣體的紅外吸收峰 值不同，可通過(guò)測(cè)量和分析紅外吸收峰來(lái)檢測(cè)氣體。 種類：種類：目前新研制開(kāi)發(fā)的有流體切換式、流程直接測(cè)定式 和傅里葉變換式在線紅外分析儀。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高抗振能力和抗污染能力，與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，能連 續(xù)測(cè)試、分析氣體，有自動(dòng)校正、自動(dòng)運(yùn)行功能。 光學(xué)式氣體傳感器還包括化學(xué)

27、發(fā)光式、光纖熒光式和光纖 波導(dǎo)式。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、可靠性好 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器25 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.5 其他氣體傳感器其他氣體傳感器 2）聲面波聲面波(SAW)式氣體傳感器式氣體傳感器 原理：原理：在壓電材料的襯底上分別制作輸入和輸出換能器， 在兩者之間涂覆能吸附VOC的敏感膜。吸附氣體使傳感器 質(zhì)量增加，使SAW的傳播速度或頻率變化，通過(guò)測(cè)SAW的 頻率變化來(lái)測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。 主要?dú)饷舨牧现饕獨(dú)饷舨牧霞坝猛荆杭坝猛荆壕郛惗∠?、氟聚多元醇等，用?lái)測(cè) 量苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸汽。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：選擇性高，靈敏度高，在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定， 對(duì)濕度

28、響應(yīng)低和良好的可重復(fù)性。 SAW傳感器輸出頻率信號(hào)，當(dāng)外界待測(cè)量變化時(shí)，引起振 蕩頻率變化，易于將敏感器與相配的電子器件結(jié)合在一起， 以實(shí)現(xiàn)微型化、集成化。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器26 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.2.5 其他氣體傳感器其他氣體傳感器 3）石英振子式氣體傳感器石英振子式氣體傳感器 原理原理：石英振子微天平（quartz crystal microbalance，QCM） 由直徑為數(shù)微米的石英振動(dòng)盤和制作在盤兩邊的電極構(gòu)成。 當(dāng)振蕩信號(hào)加在器件上時(shí)，器件會(huì)在它的特征頻率（30 MHz）發(fā)生共振。振動(dòng)盤上淀積了有機(jī)聚合物，聚合物吸聚合物吸 附氣體附氣體后，使

29、器件質(zhì)量增加，從而引起石英振子的共振頻質(zhì)量增加，從而引起石英振子的共振頻 率降低率降低，可通過(guò)測(cè)定共振頻率的變化來(lái)識(shí)別氣體。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：對(duì)特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 可在常溫下使用，補(bǔ)充了其他氣體傳感器的不足。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器27 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3 濕度傳感器濕度傳感器 8.3.1 概述概述 濕度表示空氣中水蒸氣含量，也即大氣干濕程度；常用絕 對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)來(lái)表示。 絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度：指一定溫度與壓力條件下的單位體積空氣中所 含水蒸氣的質(zhì)量。HA=mV/V 相對(duì)濕度相對(duì)濕度：指空氣中所含水蒸氣密度（即絕對(duì)濕度）與同 溫度下

30、飽和水蒸氣密度的百分比值。HR=(HA/HW)x100% 兩種方式的差異兩種方式的差異：絕對(duì)濕度給出了水分在空間的具體含量， 相對(duì)濕度給出了大氣的潮濕程度。 露點(diǎn)露點(diǎn)：保持壓力一定時(shí)，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到 某溫度時(shí)，水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開(kāi)始從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)， 即結(jié)露，此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)，單位為。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器28 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.1 概述概述 濕度傳感器濕度傳感器：利用濕敏材料因水吸附而改變電特性，把濕 度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。 組成組成：濕敏元件+轉(zhuǎn)換電路。 分類分類 ：按輸出的電量分為電阻式、電容式、頻率式等；按 探測(cè)功能分為相對(duì)濕度、

31、絕對(duì)濕度、露點(diǎn)等；按所用材料 分為陶瓷、有機(jī)高分子、半導(dǎo)體、電解質(zhì)等。 主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)：感濕特性、濕度測(cè)量范圍、靈敏度、濕滯 特性、響應(yīng)時(shí)間、溫度系數(shù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性 選擇濕敏元件選擇濕敏元件或或傳感器需考慮傳感器需考慮的的因素因素 ：溫度范圍、濕度范 圍、測(cè)量精度，使用壽命、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、濕滯回差、 重現(xiàn)性、靈敏度、線性、溫度系數(shù)、耐惡劣環(huán)境能力等指 標(biāo)和因素，并考慮其轉(zhuǎn)換電路的成本和制作工藝。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器29 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 制作材料制作材料：主要為多孔狀金屬氧化物材料。 原理原

32、理：利用制作元件的材料的表面多孔性吸濕，在吸附水 分子后其電導(dǎo)率改變。若電導(dǎo)率隨濕度增加而下降，則稱 負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷；反之稱正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。 典型典型濕敏器件濕敏器件：由MgCr2O4-TiO2固熔體組成的多孔半導(dǎo)體 陶瓷元件。這種材料的表面電阻值能在很寬范圍內(nèi)隨濕度 增加而變小，高濕條件下多次反復(fù)熱清洗，性能仍不變。 (1) (1) 半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷材料材料的感濕機(jī)理的感濕機(jī)理 兩種理論解釋：一是從半導(dǎo)體表面的電子過(guò)程給予解釋； 二是從半導(dǎo)體表面的離子過(guò)程給予解釋。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器30 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕

33、敏電阻元件濕敏電阻元件 (1) (1) 半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷材料材料的感濕機(jī)理的感濕機(jī)理 (a) 半導(dǎo)體感濕陶瓷半導(dǎo)體感濕陶瓷表面表面的電子過(guò)程的電子過(guò)程* 半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成， 多以離子鍵為主。其表面對(duì)正離子具有較大的電子親和力， 因而在其能帶結(jié)構(gòu)上，在略低于導(dǎo)帶底處出現(xiàn)表面受主能 級(jí)，而表面負(fù)離子則在比價(jià)帶項(xiàng)略高之處出現(xiàn)表面施主能 級(jí)。 氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料有N型材料和P型材料，一般呈高阻 態(tài)（氧的吸附）。對(duì)于N型材料，由于導(dǎo)帶中的電子被受主 俘獲，故在表面形成電子耗盡層。同樣，P型材料的近表面 處形成空穴耗盡層，表面電阻也增加。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)

34、化學(xué)量傳感器31 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 (1) (1) 半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷材料材料的感濕機(jī)理的感濕機(jī)理 (a) 半導(dǎo)體感濕陶瓷半導(dǎo)體感濕陶瓷表面表面的電子過(guò)程的電子過(guò)程* 環(huán)境濕度增加時(shí)，P型濕敏材料吸附水分子后，最初主要表 現(xiàn)在表面的氧離子與水分子的氫相吸引，相當(dāng)于原來(lái)本征 表面態(tài)氧施主能級(jí)密度下降，原來(lái)所俘獲的部分空穴被釋 放，使耗盡層變薄，表面載流子密度增加，表面電阻下降。 在粒界處，粒界勢(shì)壘降低，晶粒表面層電阻下降。當(dāng)濕度 進(jìn)一步增大時(shí)，使表面受主態(tài)密度增大，并使其大大超過(guò) 表面施主態(tài)密度，則在表面處會(huì)形成比體內(nèi)更高的空穴

35、積 壘層，使空穴勢(shì)壘不復(fù)存在，空穴極易通過(guò)，元件電阻下 降。同樣，N型陶瓷濕敏器件也會(huì)得到相同的結(jié)果。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器32 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 (1) (1) 半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷材料材料的感濕機(jī)理的感濕機(jī)理 (b) 半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過(guò)程半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過(guò)程 制成陶瓷濕敏元件的金屬氧化物的結(jié)構(gòu)單元可視為金屬正 離子與氧負(fù)離子，并在表面以正、負(fù)離子交替分布。由于 它未被異性離子屏蔽，因此對(duì)電子電荷有不同的吸引力。 水是極性分子，當(dāng)它接觸元件表面時(shí)，由于水離解成水離解成H+和和 OH離子離子，所以

36、產(chǎn)生化學(xué)吸附。結(jié)果使得H+離子與氧化物 表面的氧離子結(jié)合，OH離子則與其中的金屬離子結(jié)合。 現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 (1)(1)半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷材料材料的感濕機(jī)理的感濕機(jī)理 (b) 半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過(guò)程半導(dǎo)體感濕陶瓷的離子過(guò)程 隨著相對(duì)濕度增加，在表面OH上形成物理吸附的水分子 層。由于化學(xué)吸附層中形成的局部電場(chǎng)，促進(jìn)了物理吸附 水的分解，水分解產(chǎn)生一個(gè)OH和一個(gè)水合氫離子H3O+， 即2H2OH3O+OH，其電荷輸送是通過(guò)一個(gè)質(zhì)子附載在水 分子上形成水合氫離子。該水合氫離子會(huì)自動(dòng)釋放出另一 質(zhì)子給

37、第二個(gè)水分子，該分子接收此質(zhì)子，同時(shí)釋放出第 三個(gè)質(zhì)子，這樣周而復(fù)始地進(jìn)行下去。隨著水蒸氣壓力的 增加，則形成多層水的吸附層，其表面將被水覆蓋，進(jìn)一 步促進(jìn)上述質(zhì)子輸運(yùn)反應(yīng)，使其電導(dǎo)變化。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器34 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 （2 2）典型半導(dǎo)體陶瓷器件典型半導(dǎo)體陶瓷器件 一種MgCr2O4-TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。 陶瓷片的兩面設(shè)有多孔金電極，并用摻金玻璃粉將引出線 與金電極燒結(jié)在一起。在半導(dǎo)體陶瓷片外面，設(shè)有一個(gè)用 鎳鉻絲制成的加熱清洗線圈加熱清洗線圈，對(duì)器件能做加熱清洗，排

38、除 有害氣體的污染。器件安裝在一個(gè)高度致密的、疏水性的 陶瓷基片上。為消除底座上測(cè)量電極2和3之間因吸濕和污 染引起的漏電，在電極2和3的周圍設(shè)置了金短路環(huán)，圖中 的1和4為加熱器的引出線。 該傳感器由P型MgCr2O4和N型TiO2兩種材 料燒結(jié)而成，是一種機(jī)械混合的復(fù)合型半 導(dǎo)體陶瓷。其電阻率較低、電阻率溫度系 數(shù)很小。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器35 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 （2 2）典型半導(dǎo)體陶瓷器件典型半導(dǎo)體陶瓷器件 左圖為這種濕敏電阻的電阻-相對(duì)濕度特性曲線。右圖是一種 測(cè)量電路。其中R為濕敏電阻為濕敏電

39、阻，Rt為溫度補(bǔ)償為溫度補(bǔ)償用熱敏電阻。為 使檢濕的靈敏度最大，取R=Rt。這時(shí)傳感器輸出電壓經(jīng)跟隨 器并整流和濾波后，一路送比較器1與參考電壓Ul比較，以顯 示濕度測(cè)量值；另一路送比較器2與參考電壓U2比較，以控制 加熱電路，以便按一定時(shí)間加熱清洗。 MgCr2O4-TiO2濕敏電阻特性曲線MgCr2O4-TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器檢測(cè)電路 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器36 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 （3）多孔氧化物濕度傳感器多孔氧化物濕度傳感器 多孔氧化物(膜)濕度傳感器主要指多孔Al2O3和多孔SiO2濕度 傳感

40、器。其感濕機(jī)理相同，都可制成絕對(duì)和相對(duì)濕度器件. 這類器件為濕度傳感器的微型化、集成化以及智能化開(kāi)辟 了新的途徑，所以發(fā)展很快。 多孔SiO2濕敏器件的核心是有感濕特性的多孔結(jié)構(gòu)SiO2膜。 SiO2膜中的氣孔形狀近似細(xì)長(zhǎng)圓管，且氣孔均勻地從膜表 面垂直地鉆蝕到膜的下部。 環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，膜中氣孔壁 上所吸附的水分子數(shù)量也隨之變化， 從而引起SiO2膜的電特性改變。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器37 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.2 半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷濕敏電阻元件濕敏電阻元件 （3）多孔氧化物濕度傳感器多孔氧化物濕度傳感器 其等效電路如圖所示，其中R1是氣孔內(nèi)表面電阻

41、，其值取決 于吸附在氣孔內(nèi)壁上水分子量，是主要的感濕參量；R2是氣 孔下面基底的電阻；C2是氣孔底與其下金屬之間的電容；C0 是SiO2介質(zhì)膜所形成的電容；R0是SiO2膜的電阻。若將該等 效電路視為RC并聯(lián)電路，則電路中Cp和Rp可計(jì)算得到。 實(shí)際上，SiO2膜的氣孔中有一定水氣吸附時(shí)，其電特性既不 是純電阻Rp，也非純電容Cp，而 且Rp與Cp的值取決于氣孔中水氣 的吸附量。因此，完全可通過(guò)對(duì) Rp、Cp的測(cè)量來(lái)確定環(huán)境濕度或 環(huán)境中微量水分的含量。 若測(cè)電阻，則為電阻式濕度傳感器。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器38 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.3 其他其他濕敏電阻濕

42、敏電阻 利用材料吸附水分子后導(dǎo)電性提高的特性，在絕緣基底 上先制作電極，再在其上將有吸濕特性的其他材料制成敏 感膜，同樣可實(shí)現(xiàn)性能不錯(cuò)的濕度傳感器。常見(jiàn)敏感膜材 料有氯化鋰及一些高分子膜。 下圖是氯化鋰濕敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。氯化鋰有潮解性， 其電解質(zhì)溶液形成的薄膜隨空氣中水蒸氣變化而吸濕或脫 濕。當(dāng)空氣濕度增加時(shí)，感濕膜中鹽的濃度降低，使元件 電阻隨空氣相對(duì)濕度變化而變化。 1感濕膜 2電極 3絕緣基底 4引線 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器39 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.3 其他其他濕敏電阻濕敏電阻 有機(jī)高分子膜濕敏電阻是在氧化鋁等陶瓷基板上設(shè)置梳 形電極，然后在其表面涂以

43、具有感濕性能又有導(dǎo)電性能的高 分子材料的薄膜，再涂覆一層多孔質(zhì)的高分子膜保護(hù)層。 原理：原理：這種濕敏元件利用水蒸氣附著于感濕薄膜上，其電阻 值與相對(duì)濕度相對(duì)應(yīng)的性質(zhì)。 由于使用高分子材料，所以適用于高溫氣體的濕度測(cè)量。 下圖是三氧化二鐵聚乙二醇高分子膜濕敏電阻的特性。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器40 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.4 電容式濕敏元件電容式濕敏元件 當(dāng)前應(yīng)用廣而成熟的高分子濕敏元件有電阻式和電容 式。前者測(cè)濕范圍(30%-80%RH)和精度一般、價(jià)廉，適于 民用;后者是一種高可靠的濕敏元件，其測(cè)濕范圍寬 (0- 100%RH),線性輸出濕滯回差小，溫度系數(shù)

44、優(yōu)異，響應(yīng)快， 可靠性高,但制作復(fù)雜，成本高，主要用于精度要求較高的 領(lǐng)域，如國(guó)防科研、軍用設(shè)施、氣象研究和衛(wèi)生等部門。 原理：原理：電容式濕敏元件為平板電容器結(jié)構(gòu)，具有下電極、 感濕膜、上電極。感濕膜為對(duì)濕度敏感的高分子聚合物， 能吸收環(huán)境中的水分使介電常數(shù)改變。由于平板電容器的 電容與介電常數(shù)成正比，元件的電容與相對(duì)濕度成正比， 測(cè)電容量大小即可求出環(huán)境的相對(duì)濕度。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器41 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.4 電容式濕敏元件電容式濕敏元件 高分子電容式濕敏元件的失效模式：開(kāi)路、短路（半邊 短路）、參數(shù)退化（損耗角正切值變大）、機(jī)械損傷等。 AP0

45、32是一種用高分子薄膜感濕材料制成的典型元件，其 濕度特性如圖，主要性能指標(biāo)如下：工作電壓DC12V(最大) ；測(cè)濕范圍0100%RH; 基礎(chǔ)電容122 pF5%(33%RH); 靈敏度2.5pF/10%RH；非線性1%RH；遲滯2%RH； 溫度 系數(shù)0.04 pF/10 ；使用溫度8060 。 AP032的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：功耗低、體積 小、線性度好、靈敏度高、響 應(yīng)快、穩(wěn)定可靠、使用方便、 價(jià)低，適于大氣環(huán)境濕度檢測(cè)、 工業(yè)過(guò)程控制測(cè)量?jī)x表。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器42 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.5 露點(diǎn)式濕度傳感器露點(diǎn)式濕度傳感器 露點(diǎn)傳感器能感受露點(diǎn)并將其轉(zhuǎn)換成可

46、用信號(hào)輸出。常見(jiàn) 有氧化鋁露點(diǎn)濕度傳感器和冷鏡式露點(diǎn)濕度傳感器。 氧化鋁露點(diǎn)濕度傳感器由絕對(duì)濕度傳感器和內(nèi)置溫度傳感 器、大氣壓力傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到露點(diǎn)。 （a）氧化鋁薄膜露點(diǎn)濕度傳感器）氧化鋁薄膜露點(diǎn)濕度傳感器 氧化物薄膜的厚度是該類傳感器性能的關(guān)鍵，在氣體與液 體中直接測(cè)量水的分壓非常便利、有效。 GE公司制造的探頭所具有的氧化層薄膜厚度使其顯示真正顯示真正 的絕對(duì)濕度的絕對(duì)濕度，而不是相對(duì)濕度，同時(shí)使得溫度與滯后的影 響降至最低，具備快速響應(yīng)和超常的標(biāo)定穩(wěn)定性。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器43 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.3.4 露點(diǎn)式濕度傳感器露點(diǎn)式濕度傳

47、感器 （b）氧化鋁厚膜露點(diǎn)濕敏器件氧化鋁厚膜露點(diǎn)濕敏器件 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：器件的測(cè)試范圍8020（露點(diǎn)），響應(yīng)迅速，使 用方便，可滿足眾多氣體行業(yè)對(duì)露點(diǎn)的測(cè)試需求。 與此領(lǐng)域傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化薄膜氧化鋁露點(diǎn)濕敏器件相比， 其明顯優(yōu)勢(shì)是： 使用溫度遠(yuǎn)高。最高達(dá)160以上； 穩(wěn)定性好，重新標(biāo)校期要長(zhǎng)得多；抗污染能力強(qiáng)，許 多后者不能用的場(chǎng)合都能使用。 區(qū)別：區(qū)別：從測(cè)試原理看，氧化鋁厚膜露點(diǎn)濕敏器件與傳統(tǒng)的 陽(yáng)極氧化薄膜氧化鋁露點(diǎn)濕敏器件有本質(zhì)不同，前者為電 阻型，后者為電容型。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器44 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.4 離子傳感器離子傳感器 離子傳感器離子傳感器

48、：將溶液中的離子活度轉(zhuǎn)為電信號(hào)的傳感器。 它是化學(xué)量傳感器中制作工藝較成熟、實(shí)用化較早的一類 傳感器，在化學(xué)、化工、生物、生物技術(shù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、輕 工、食品、農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。 離子傳感器技術(shù)取決于敏感膜與換能器。 分類：分類： 根據(jù)敏感膜的種類分為玻璃膜玻璃膜式離子傳感器、液態(tài)膜液態(tài)膜式離 子傳感器、固態(tài)膜固態(tài)膜式離子傳感器、以離子傳感器為基本體 的隔膜隔膜式傳感器； 以換能器的類型為依據(jù)分為電極型電極型離子傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶場(chǎng)效應(yīng)晶 體管型體管型離子傳感器、光導(dǎo)傳感型光導(dǎo)傳感型離子傳感器、聲表面波型聲表面波型 離子傳感器。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器45 8

49、 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.4.1離子選擇電極離子傳感器離子選擇電極離子傳感器 離子選擇電極離子傳感器：利用離子選擇性電極(ion- selective electrode, ISE )將感受的離子轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào) 。 原理：原理：利用固定在敏感膜上的離子識(shí)別材料有選擇性地結(jié) 合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電流的改變。 （1）液體離子交換劑膜電極液體離子交換劑膜電極 利用對(duì)液體有選擇交換離子的離子交換膜離子交換膜和離離 子交換劑子交換劑等制成，典型結(jié)構(gòu)如圖。 離子交換膜是對(duì)離子具有選擇透過(guò)性對(duì)離子具有選擇透過(guò)性的高分子 材料制成的薄膜，因?yàn)橐话阍趹?yīng)用時(shí)主要利用 它的離子選擇透過(guò)性，所以也

50、稱為離子選擇透 過(guò)性膜。 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器46 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.4.1離子選擇電極離子傳感器離子選擇電極離子傳感器 (1) 液體離子交換劑膜電極液體離子交換劑膜電極 離子交換劑采用不溶于被測(cè)溶液或內(nèi)參比溶液的溶劑且室 溫不揮發(fā)的有機(jī)液體制成。 離子交換膜有均相膜和非均相膜兩類。 離子交換膜的膜電阻與離子的質(zhì)量摩爾濃度有關(guān)，根據(jù)不 同測(cè)定和計(jì)算方法，分成體積電阻和表面電阻。離子交換 膜的膜電阻膜電阻和選擇透過(guò)性選擇透過(guò)性是膜的電化學(xué)性能的重要指標(biāo)。 陽(yáng)離子在陽(yáng)膜中透過(guò)性次序?yàn)椋篖i+Na+NH4+K+Rb+ Cs+Ag+Ti+Mg2+Zn2+Co2+Cd

51、2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+。 陰離子在陰膜中透過(guò)性次序?yàn)椋篎CH3COOHCOOCl SCN Br Cr2O72 NO3I(COO)22(草酸根) SO32。 液體離子交換膜電極還用于分析Hg2+、苯甲酸根和其他離子 2021-7-13現(xiàn)代傳感器技術(shù)化學(xué)量傳感器47 8 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 8.4.1離子選擇電極離子傳感器離子選擇電極離子傳感器 (2) 固態(tài)膜電極固態(tài)膜電極 其一般結(jié)構(gòu)如圖示。固態(tài)膜由微溶鹽制成的單 晶小片，或在微溶嵌入橡膠等惰性基體中制成。 原理原理：固態(tài)膜對(duì)某些被分析物的離子有選擇性， 離子穿過(guò)引起膜的電導(dǎo)和膜兩端的電位發(fā)生變離子穿過(guò)引起膜的電導(dǎo)和膜兩端的電位發(fā)生變 化化，從而可檢測(cè)出被測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度。 膜組成膜組成被分析離子被分析離子膜組成膜組成被分析離子被分析離子 膜組成膜