第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)

1、第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)第第1010章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)知識要點 知識要點：通過本章學(xué)習(xí)，讓讀者理解化學(xué)傳感器和生物傳感器的概念、分類、結(jié)構(gòu)形式和理論基礎(chǔ)。讀者應(yīng)掌握常見的氣體傳感器和濕度（濕敏）傳感器的總體組成、工作原理、特性以及測量電路的設(shè)計方法，熟悉生物傳感器的特點、基本組成、工作原理，了解生物傳感器的發(fā)展趨勢。重點掌握常見化學(xué)傳感器和生物傳感器的工程應(yīng)用方法。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 10.1、概述10.2、氣體傳感器 10.3、濕敏傳感器 10.4、生物傳感器 10.5、本章小結(jié) 第10章化學(xué)與生物傳感

2、器技術(shù)10.1、概述 化學(xué)傳感器是對各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器。化學(xué)傳感器具有對待測化學(xué)物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)選擇性俘獲的功能（接受器功能）和將俘獲的化學(xué)量有效轉(zhuǎn)換為電信號的功能（轉(zhuǎn)換器功能）。 按傳感方式，化學(xué)傳感器可分為接觸式與非接觸式化學(xué)傳感器?；瘜W(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)形式有兩種：一種是分離型傳感器。如離子傳感器，液膜或固體膜具有接受器功能，膜完成電信號的轉(zhuǎn)換功能，接受和轉(zhuǎn)換部位是分離的，有利于對每種功能分別進行優(yōu)化；另一種是組裝一體化傳感器。如半導(dǎo)體氣體傳感器，分子俘獲功能與電流轉(zhuǎn)換功能在同一部位進行，有利于化學(xué)傳感器的微型化。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 按檢測對象，

3、化學(xué)傳感器分為氣體傳感器、濕度（濕敏）傳感器、離子傳感器。 傳感器的傳感元件多為氧化物半導(dǎo)體，有時在其中加入微量貴金屬作增敏劑，增加對氣體的活化作用。對于電子給予性的還原性氣體如氫、一氧化碳、烴等，用N型半導(dǎo)體，對接受電子性的氧化性氣體如氧，用P型半導(dǎo)體。將半導(dǎo)體以膜狀固定于絕緣基片或多孔燒結(jié)體上做成傳感元件。氣體傳感器又分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、晶體振蕩式氣體傳感器和電化學(xué)式氣體傳感器。 濕度傳感器是測定氣氛中水氣含量的傳感器，又分為電解質(zhì)式、高分子式、陶瓷式和半導(dǎo)體式濕度傳感器。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 離子傳感器是離子傳感器是對離子具有選擇響應(yīng)

4、的傳感器。它基于對離子選擇性響應(yīng)的膜產(chǎn)生的膜電位。它是由離子選擇性電極（ISE）與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）組合而成，簡稱ISFET。ISFET是用來測量溶液（或體液）中的離子活度的微型固態(tài)電化學(xué)敏感器件。離子傳感器的感應(yīng)膜有玻璃膜、溶有活性物質(zhì)的液體膜及高分子膜，使用較多的有聚氯乙烯膜。 10.1.2生物傳感器 生物傳感器是對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器。生物傳感器的優(yōu)點是對生物物質(zhì)具有分子結(jié)構(gòu)的選擇功能?；瘜W(xué)傳感器在礦產(chǎn)資源的探測、氣象觀測和遙測、工業(yè)自動化、醫(yī)學(xué)上遠距離診斷和實時監(jiān)測、農(nóng)業(yè)上生鮮保存和魚群探測、防盜、安全報警和節(jié)能等各方面都有重要的應(yīng)

5、用。 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.2、氣體傳感器10.2.1、氣體傳感器的分類和工作原理10.2.2、幾種常見氣體傳感器的原理與應(yīng)用 10.2.3、幾種氣體傳感器的應(yīng)用實例 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 10.2.1、氣體傳感器的分類和工作原理 氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型等。（1）電阻式半導(dǎo)體氣敏元件電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)半導(dǎo)體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度。（2）非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則是根據(jù)氣體

6、的吸附和反應(yīng)使其某些特性發(fā)生變化對氣體進行直接或間接的檢測。（3）接觸燃燒式氣體傳感器第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 接觸燃燒式氣體傳感器基于強催化劑使氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理而設(shè)計的。另外與半導(dǎo)體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。 接觸燃燒式氣體傳感器利用與被測氣體進行的化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量與氣體濃度的關(guān)系進行檢測。傳感器元件由Pt絲和燃燒催化劑構(gòu)成，Pt線圈被埋在催化劑中。將元件加熱到300600，調(diào)節(jié)電路使其保持平衡?？扇夹詺怏w和元件接觸燃燒，溫度增高，使元件的阻值增加。如果C表示氣體濃度，T表示元件升高的溫度，

7、則元件阻值改變R為 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 式中，是Pt絲的溫度系數(shù)，q是可燃性氣體燃燒熱，h是元件的熱容量，a是由元件催化劑決定的常數(shù)。R的變化破壞了電橋的平衡，輸出的不平衡電壓或電流和可燃性氣體的濃度成比例，氣體的濃度可通過電壓表或電流表指示。 接觸燃燒式氣體傳感器，廉價、精度低，但靈敏度較低。適合于檢測CH4等爆炸性氣體，不適合檢測如CO等有毒氣體。（4）電容式氣體傳感器電容式氣體傳感器則是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其介電常數(shù)發(fā)生改變導(dǎo)致電容變化的原理而設(shè)計。主要利用兩個電極之間的化學(xué)電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極。/RTaCq h第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)

8、（5）電化學(xué)式傳感器 電化學(xué)式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)之分，而液體電解質(zhì)又分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關(guān)系進行測量；電流型采用極限電流原理，利用氣體通過薄層透氣膜或毛細孔擴散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件 ，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的極限擴散電流。（6）紅外吸收型傳感器紅外吸收型傳感器，當(dāng)紅外光通過待測氣體時， 這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收， 其吸收關(guān)系服從朗伯比爾(LambertBeer)吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度： 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 式中，為摩爾分子吸收系數(shù)；C為氣體濃度；L為光與氣

9、體的作用長度；為瑞利散射系數(shù)；為米氏散射系數(shù)；為氣體密度波動造成的吸收系數(shù)；分別為輸入、輸出光強。（7）聲表面波傳感器 聲表面波傳感器的關(guān)鍵是SAW(surface acoustic wave)振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，有延遲型和振子型兩種振蕩器。SAW傳感器自身固有一個振蕩頻率，當(dāng)外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度。)exp(0rLLCIIm第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.2.2、幾種常見氣體傳感器的原理與應(yīng)用10.2.2.110.2.2.1、一氧化碳氣體傳感器、一氧化碳氣體傳感器 CO傳感器主要采用的是3點定電位的電化學(xué)原電池

10、傳感器。按敏感元件電解質(zhì)性質(zhì)的不同，它主要分為膠體電解質(zhì)C0敏感元件、固體電解質(zhì)CO敏感元件和液體電解質(zhì)C0敏感元件。從分析方法上分，主要有電化學(xué)法、電氣法(熱導(dǎo)式和半導(dǎo)式)、色譜法(層析法)、光學(xué)吸收法(紅外吸收法和紫外吸收法)等。檢測氣體需要對氣體傳感器及相關(guān)特性有深入的了解和把握，傳感器系統(tǒng)要求成本低、壽命長、容易操作和維護。達到實用化水準(zhǔn)的CO傳感器主要分為金屬氧化物半導(dǎo)體型、電化學(xué)固體電解質(zhì)型和電化學(xué)固體高分子電解質(zhì)型三種類型。其它如觸媒燃燒型、場效應(yīng)晶體管型、石英晶體諧振型等則使用較少。這里介紹幾種主要的CO傳感器。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)（1）金屬氧化物半導(dǎo)體型CO傳感器金屬

11、氧化物半導(dǎo)體型氣體傳感器由于其耐熱性、耐蝕性強，材料成本低廉，元件制作工藝簡單，再加上具有易于與微處理電路組合成氣體監(jiān)測系統(tǒng)，制作成便攜式監(jiān)測器等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于監(jiān)測家庭、工廠生產(chǎn)環(huán)境中有毒氣體及可燃性、爆炸性氣體場合。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。 圖10-1 金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的結(jié)構(gòu) 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 該結(jié)構(gòu)包括陶瓷基體、敏感材料層、加熱器及測量電極等。其中敏感材料采用金屬氧化物粉體構(gòu)成，如SnO2、Fe2O3、In2O3、W2O3、Ag2O等。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器已廣泛應(yīng)用于對CO的探測，并主要以SnO2材料為主，其工作原理是當(dāng)加熱器將感測材料升到高

12、溫，氧氣會被吸附在感測材料表面，然后從感測材料的導(dǎo)帶捕獲電子而形成氧離子，造成感測材料的電阻值上升，而當(dāng)還原性氣體如CO吸附在感測材料的導(dǎo)帶，便造成電阻值下降，再根據(jù)電阻值的變化與氣體體積分數(shù)的函數(shù)關(guān)系，即可對氣體體積分數(shù)進行有效檢測。 這種類型的傳感器易受其他還原性氣體（如H2、NO等）以及揮發(fā)性有機物等的干擾。為了提高選擇性，常采取摻人金屬如銠、釘或氧化物如氧化釷、氧化銻及氧化鉍等方法；或者利用厚膜技術(shù)制備SnO2敏感層；利用薄膜技術(shù)制備SnO2敏感層等。另外，也有學(xué)者采用氧化鉬為敏感材料，再摻雜其他金屬觸媒來提高對CO的選擇性。 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)（2）電化學(xué)固體電解質(zhì)型CO傳

13、感器 據(jù)有關(guān)資料調(diào)查表明，目前在石化生產(chǎn)系統(tǒng)中使用最普遍的CO傳感器是電化學(xué)傳感器。在CO自動監(jiān)測系統(tǒng)中，有三分之二為電化學(xué)傳感器，而便攜式檢測儀則幾乎全部為電化學(xué)式。傳統(tǒng)的電化學(xué)式CO傳感器使用液態(tài)電解液，其感測原理與固體電解質(zhì)型、固態(tài)高分子電解液型類似，但容易造成電解液漏液而需進行補充，且電解液常為強酸，漏液后造成的后果十分嚴重，因此正研究以固體電解質(zhì)取代液體電解液。 固體電解質(zhì)型傳感器主要以無機鹽類如ZrO2 、Y2O3、KAg4I5、K2C03 、LaF3等為固體電解質(zhì)，加上陰、陽極材料組合而成。純的固體電解質(zhì)可以傳導(dǎo)離子，但卻無法傳導(dǎo)電子，且純的固體電解質(zhì)在室溫下電導(dǎo)率極低，因此常需

14、要高溫工作環(huán)境，這可采用內(nèi)建加熱器來實現(xiàn)。固體電解質(zhì)ZrO2主要用于氧傳感器，但也可將其用于CO的檢測，其工作原理仍為電化學(xué)電位式。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)（3）電化學(xué)固態(tài)高分子電解質(zhì)型CO傳感器 電化學(xué)固態(tài)高分子電解質(zhì)傳感器的感測原理與固體電解質(zhì)型類似，但是以高分子中的官能基來傳導(dǎo)離子，且在室溫下工作。由于高分子可按照設(shè)計需要，通過化學(xué)反應(yīng)的方法(如枝接、嵌入、交聯(lián)、聚合等)進行改性，加工性好與其它技術(shù)(如微電子芯片、晶體管、石英晶體等)兼容性好，且可常溫工作等。因此該類傳感器是目前受關(guān)注研究的重點之一。該類CO傳感器可分為電位式與電流式兩種，目前研究重點以后者為主。 電化學(xué)電流式CO傳

15、感器的工作原理是在電極表面加上一多孔性材料，限制氣體擴散到電極表面的速率，使反應(yīng)易于得到傳質(zhì)控制，并在兩電極之間施加電壓，使擴散到電極表面的氣體反應(yīng)而形成電流。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)當(dāng)所施加的電壓增大到使氣體在電極上的反應(yīng)速率受限于氣體擴散到電極表面的速率時，這時，氣體在電極表面的濃度為零。即使再增加電壓也不能增加氣體反應(yīng)速率，此時的電流稱為極限電流或界限電流(1imiting current)，此極限電流的大小與被測氣體體積分數(shù)有如下關(guān)系存在： 式中，I為極限電流（A）；D為氣體擴散系數(shù)（cm2/s）；C為待測氣體濃度（mol/cm3）；A為氣體擴散孔的總面積（cm2）)；L為氣體擴散

16、孔的有效長度（cm）；n為反應(yīng)物分子或離子反應(yīng)時產(chǎn)生的電子（eq/mol）；F為法拉第常數(shù)96500(C/mo1)。LnFDCAI （10-3）第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)（4） 觸媒燃燒型CO傳感器 這是一種結(jié)構(gòu)簡單的氣體傳感器，能檢測爆炸點下高體積分數(shù)的可燃性氣體，且輸出信號與氣體體積分數(shù)成線性關(guān)系，是一種非常適合于可燃性氣體檢測(如氫氣、天然氣 液化石油氣、酒精等可燃且揮發(fā)的有機溶劑)的傳感器。其結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，一為感測元件，一為溫度補償元件。 在敏感元件的兩端施加電壓，并以200400mA的電流使傳感器保持氣體能在催化劑表面燃燒的工作溫度(300 400)，通入可燃性氣體，氣體接

17、觸傳感器表面的觸媒層而產(chǎn)生氧化反應(yīng)放出熱量?？扇夹晕镔|(zhì)的氧化反應(yīng)在觸媒的催化作用下反應(yīng)速率激增，使Pt絲的溫度增加，即引起電阻升高，電流下降，使元件電橋的輸出端電壓上升，且電壓的大小與感測氣體的濃度成正比。利用此關(guān)系可達到檢測CO氣體濃度的目的。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)（5） 場效應(yīng)晶體管CO傳感器場效應(yīng)晶體管CO傳感器可分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)、絕緣柵極晶體管（FET）、金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。這三者都可制成P或N通路，但JFET僅有空穴型MOSFET則有增強型與空穴型。其工作原理實際在半導(dǎo)體(如SiO2)層上淀積一層絕緣物質(zhì)(常用高分子材料)，當(dāng)外加一電場在柵

18、極時，則可控制通路中所通過的電流大小。根據(jù)以上原理，若有氣體吸附在絕緣層上，并且在絕緣層下的附近半導(dǎo)體產(chǎn)生一電子堆集成空穴區(qū) 時，則會影響到電子通路中的阻力，在適當(dāng)電路設(shè)計下如果維持電流不變，則柵極電壓的變化與氣體濃度成一函數(shù)關(guān)系，便可達到檢測氣體體積分數(shù)的目的。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.2.2.2、二氧化碳氣體傳感器、二氧化碳氣體傳感器 人們已經(jīng)研究開發(fā)出了紅外線吸收法、電化學(xué)式、熱傳導(dǎo)式、電容式及固體電介質(zhì)CO2傳感器及檢測儀，其中紅外線吸收法和色譜法方法與CO檢測方法基本相似。 固體電解質(zhì)CO2氣體傳感器是由Gauthier提出的。初期用K2CO3固體電解質(zhì)制備的電位型CO2傳感

19、器，受共存水蒸氣影響很大，難以實用；后來有人利用穩(wěn)定化鋯酸鹽ZrO2-MgO設(shè)計一種CO2敏感傳感器，LaF3單晶與金屬碳酸鹽相結(jié)合制成的CO2傳感器具有良好的氣敏特性，在此基礎(chǔ)上有人提出利用穩(wěn)定化鋯酸鹽/碳酸鹽相結(jié)合成的傳感器。1990年日本山添等人采用NASICON(Na+超導(dǎo)體)固體電解質(zhì)和二元碳酸鹽(BaCO3 Na2CO3)電極，使傳感器響應(yīng)特性有了大的改進。但是，這類電位型的固態(tài)CO2傳感器需要在高溫(400600)下工作，且只適宜于檢測低濃度CO2，應(yīng)用范圍受到限制。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 現(xiàn)有采用聚丙烯腈(PAN )、二甲亞砜(DM SO)和高氯酸四丁基銨(TBA P)制

20、備了一種新型固體聚合物電解質(zhì)。以恰當(dāng)用量配比PAN(DM SO)2(TBA P)2聚合物電解質(zhì)呈有高達10- 4Scm- 1的室溫離子電導(dǎo)率和好的空間網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，由其在金屬電極上成膜構(gòu)成的全固態(tài)電化學(xué)體系，在常溫下對CO2氣體有良好的電流響應(yīng)特性，消除了傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器因電解液滲漏或干涸帶來的弊端，又具有體積小、使用方便的獨到優(yōu)點。 電容式傳感器是利用金屬氧化物一般比其碳酸鹽的介電常數(shù)要大，利用電容的變化來檢測CO2。報道采用溶膠凝膠法，以醋酸鋇和鈦酸丁脂為原材料，乙醇和醋酸為溶劑制備了BaTiO3納米晶材料。采用這種納米晶材料為基體，制備電容式CO2氣體傳感器。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)

21、光纖CO2傳感器利用CO2與水結(jié)合后，生成的碳酸酸性很弱，其酸性的檢測多采用靈敏度較高的熒光法，如基于熒光碎滅原理的固定有葉琳的聚氯乙烯敏感膜，其原理是利用環(huán)糊精對葉琳的熒光增強效應(yīng)，且該熒光能被溶液中二氧化碳碎滅，該膜響應(yīng)速度快、重現(xiàn)性好、抗干擾能力強，測定碳酸的范圍達到了4.7510-73.9010-5mol/L，這對化學(xué)傳感器來說是一個較好的性能指標(biāo)。該方法克服了化學(xué)發(fā)光傳感器消耗試劑的不足，不必連續(xù)不斷地在反應(yīng)區(qū)加送試劑。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.2.2.3、甲烷氣體傳感器、甲烷氣體傳感器（1） 氧化物半導(dǎo)體甲烷傳感器氧化物半導(dǎo)體甲烷傳感器氧化物半導(dǎo)體甲烷傳感器主要是以氧化物半

22、導(dǎo)體為基本材料，使氧化物半導(dǎo)體甲烷傳感器主要是以氧化物半導(dǎo)體為基本材料，使氣體吸附于該氧化物表面，利用由此而產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化測量氣體氣體吸附于該氧化物表面，利用由此而產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化測量氣體的成分和濃度。氧化物半導(dǎo)體甲烷傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)的成分和濃度。氧化物半導(dǎo)體甲烷傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)速度快，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，基本材料主要速度快，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，基本材料主要有氧化錫、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、有氧化錫、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、一氧化鐵等，其工一氧化鐵等，其工作機理模型主要有以下三種。作機理模型主要有以下三種。第10章化

23、學(xué)與生物傳感器技術(shù)表面吸附機理表面吸附機理由于半導(dǎo)體與吸附分子間的能量差，半導(dǎo)體表面吸附氣體分子后，在半導(dǎo)體由于半導(dǎo)體與吸附分子間的能量差，半導(dǎo)體表面吸附氣體分子后，在半導(dǎo)體表面和吸附分子之間將發(fā)生電荷重排。對于如表面和吸附分子之間將發(fā)生電荷重排。對于如SnO2 、TiO2等等N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，如果吸附的是還原性的甲烷氣體，這時電子由甲烷向半導(dǎo)體表面轉(zhuǎn)移，使如果吸附的是還原性的甲烷氣體，這時電子由甲烷向半導(dǎo)體表面轉(zhuǎn)移，使半導(dǎo)體表面的電子密度增加，從而使電阻率下降。半導(dǎo)體表面的電子密度增加，從而使電阻率下降。晶界勢壘模型晶界勢壘模型晶界勢壘模型認為，氧化物粒子之間的接觸勢壘是引起氣敏效應(yīng)的根

24、源。通晶界勢壘模型認為，氧化物粒子之間的接觸勢壘是引起氣敏效應(yīng)的根源。通常情況下，晶界吸附著氧，形成高勢壘，電子不能通過它而移動，故電阻常情況下，晶界吸附著氧，形成高勢壘，電子不能通過它而移動，故電阻較大。如果與甲烷氣體接觸，由于氧的減少，勢壘降低，電子移動變得容較大。如果與甲烷氣體接觸，由于氧的減少，勢壘降低，電子移動變得容易，電導(dǎo)率增加，電阻率下降。易，電導(dǎo)率增加，電阻率下降。吸附氧理論吸附氧理論吸附氧理論是表面吸附機理和晶界勢壘模型兩者的結(jié)合。當(dāng)半導(dǎo)體表面吸附吸附氧理論是表面吸附機理和晶界勢壘模型兩者的結(jié)合。當(dāng)半導(dǎo)體表面吸附了氧這類電負性大的氣體后，半導(dǎo)體表面就會丟失電子，這些電子被吸附

25、了氧這類電負性大的氣體后，半導(dǎo)體表面就會丟失電子，這些電子被吸附的氧俘獲，其結(jié)果是的氧俘獲，其結(jié)果是N型半導(dǎo)體阻值減小。型半導(dǎo)體阻值減小。 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) （2） 光纖甲烷傳感器光纖甲烷傳感器光纖甲烷傳感器，主要工作原理根據(jù)朗伯光纖甲烷傳感器，主要工作原理根據(jù)朗伯-比爾定理，實際應(yīng)用時要解比爾定理，實際應(yīng)用時要解決參數(shù)過多的情況，所以有差分吸收法、透射法和利用二次諧波檢測的方?jīng)Q參數(shù)過多的情況，所以有差分吸收法、透射法和利用二次諧波檢測的方法。其中差分法根據(jù)的是波長分布相近的兩個單色光，采用雙光路方法提法。其中差分法根據(jù)的是波長分布相近的兩個單色光，采用雙光路方法提高檢測強度，得到

26、以下公式：高檢測強度，得到以下公式： 式中，為氣體濃度；式中，為氣體濃度； 為一定波長下的單位濃度、單位長度介質(zhì)的吸為一定波長下的單位濃度、單位長度介質(zhì)的吸收系數(shù)；收系數(shù)； 1、 2為相隔極近的兩個波長；為相隔極近的兩個波長；I( 1)、I( 2)為兩種波長的透射光為兩種波長的透射光強。強。 )()()()(121221IIIc （10-4）第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 而透射式對同一束光進行暫波調(diào)制，達到與差分一樣的效果。而透射式對同一束光進行暫波調(diào)制，達到與差分一樣的效果?；诙沃C波檢測技術(shù)采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源，通過基于二次諧波檢測技術(shù)采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源，通

27、過光源調(diào)制實現(xiàn)氣體濃度的諧波檢測，利用二次諧波與一次諧波的比值光源調(diào)制實現(xiàn)氣體濃度的諧波檢測，利用二次諧波與一次諧波的比值來消除由光源的不穩(wěn)定和變化所引起的檢測誤差。來消除由光源的不穩(wěn)定和變化所引起的檢測誤差。 光纖光柵是光纖芯區(qū)折射率受永久性、周期性調(diào)制的一種特種光纖光柵是光纖芯區(qū)折射率受永久性、周期性調(diào)制的一種特種光纖，光纖光柵甲烷傳感器以光纖光柵傳感器對傳感信息采用波長編光纖，光纖光柵甲烷傳感器以光纖光柵傳感器對傳感信息采用波長編碼，因此它不受電磁噪聲和光強波動的干擾，并且便于利用復(fù)用碼，因此它不受電磁噪聲和光強波動的干擾，并且便于利用復(fù)用(波分、波分、時分、空分時分、空分) 技術(shù)實現(xiàn)對

28、多種傳感量的準(zhǔn)分布多點測量。滿足公式技術(shù)實現(xiàn)對多種傳感量的準(zhǔn)分布多點測量。滿足公式 B= 2neff的波長才能被反射出來，其他的光線具有很好的投射率，從而提的波長才能被反射出來，其他的光線具有很好的投射率，從而提高檢測的精度。式中高檢測的精度。式中 B為為Bragg波長波長(即光柵反射對應(yīng)于自由空間中的即光柵反射對應(yīng)于自由空間中的中心波長中心波長)，為光柵周期，為光柵周期，neff 為纖芯的有效折射率。為纖芯的有效折射率。 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.2.2.4、氫氣氣體傳感器、氫氣氣體傳感器(1) 半導(dǎo)體型氫氣傳感器半導(dǎo)體型氫氣傳感器 金屬氧化物半導(dǎo)體氫氣傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體氫氣傳感

29、器 當(dāng)環(huán)境中有氧氣時，金屬氧化物產(chǎn)生氧化學(xué)吸附。該吸附層具有較高當(dāng)環(huán)境中有氧氣時，金屬氧化物產(chǎn)生氧化學(xué)吸附。該吸附層具有較高的電阻率，當(dāng)還原性氣體把化學(xué)吸附層中的氧氣移出時，化學(xué)吸附層的電的電阻率，當(dāng)還原性氣體把化學(xué)吸附層中的氧氣移出時，化學(xué)吸附層的電阻率降低，且電阻率的下降值隨還原性氣體濃度的增加而增加。金屬氧化阻率降低，且電阻率的下降值隨還原性氣體濃度的增加而增加。金屬氧化物半導(dǎo)體氫氣傳感器就是根據(jù)這一原理來檢測環(huán)境中的氫氣濃度。物半導(dǎo)體氫氣傳感器就是根據(jù)這一原理來檢測環(huán)境中的氫氣濃度。 肖特基肖特基(金屬半導(dǎo)體金屬半導(dǎo)體)二極管氫氣傳感器二極管氫氣傳感器 當(dāng)肖特基當(dāng)肖特基(金屬半導(dǎo)體金屬

30、半導(dǎo)體)二極管氫氣傳感器與氫氣接觸時，氫氣被吸二極管氫氣傳感器與氫氣接觸時，氫氣被吸附在催化金屬表面，在金屬的催化作用下分解為氫，氫從金屬表面經(jīng)晶格附在催化金屬表面，在金屬的催化作用下分解為氫，氫從金屬表面經(jīng)晶格間隙擴散到金屬間隙擴散到金屬/半導(dǎo)體界面，傳感器加一定的偏置電壓后，氫被極化形成半導(dǎo)體界面，傳感器加一定的偏置電壓后，氫被極化形成偶極層。由于氫的存在，界面電荷增加，勢壘降低，二極管特性曲線偶極層。由于氫的存在，界面電荷增加，勢壘降低，二極管特性曲線(IV)發(fā)生漂移。傳感器就是通過檢測恒電流作用下電壓的漂移來確定環(huán)境中的發(fā)生漂移。傳感器就是通過檢測恒電流作用下電壓的漂移來確定環(huán)境中的氫

31、氣濃度。氫氣濃度。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 氧化錫等金屬氧化物半導(dǎo)體氫氣傳感器需在有氧環(huán)境中運行，因而適氧化錫等金屬氧化物半導(dǎo)體氫氣傳感器需在有氧環(huán)境中運行，因而適用范圍有限。而肖特基二極管氫氣傳感器只需簡單的電子電路即可運用范圍有限。而肖特基二極管氫氣傳感器只需簡單的電子電路即可運行，故肖特基二極管氫氣傳感器引起了廣泛的關(guān)注。行，故肖特基二極管氫氣傳感器引起了廣泛的關(guān)注。 (2) 熱電型氫氣傳感器熱電型氫氣傳感器在基片上沉積一層熱電材料，然后，在熱電材料表面的某一部分沉積在基片上沉積一層熱電材料，然后，在熱電材料表面的某一部分沉積一層催化金屬，如一層催化金屬，如Pt，Pd等，最后，分別在

32、催化金屬層、熱電薄膜層等，最后，分別在催化金屬層、熱電薄膜層(表面上無催化金屬表面上無催化金屬)引出電極，即獲得最為簡單的熱電型氫氣敏感元引出電極，即獲得最為簡單的熱電型氫氣敏感元件。件。當(dāng)熱電型氫氣傳感器暴露在含氫空氣中時，在鉑等催化金屬的催化作當(dāng)熱電型氫氣傳感器暴露在含氫空氣中時，在鉑等催化金屬的催化作用下，氫氣與氧氣反應(yīng)生成水蒸汽，并放出熱量使覆蓋有催化金屬的用下，氫氣與氧氣反應(yīng)生成水蒸汽，并放出熱量使覆蓋有催化金屬的膜面升溫，與無催化金屬覆蓋的另一半膜面形成溫差，熱電材料將溫膜面升溫，與無催化金屬覆蓋的另一半膜面形成溫差，熱電材料將溫差轉(zhuǎn)換為電信進行檢測。熱電材料直接將溫差轉(zhuǎn)換為電信號

33、，不需要差轉(zhuǎn)換為電信進行檢測。熱電材料直接將溫差轉(zhuǎn)換為電信號，不需要外加電力，所以熱電型氫氣傳感器能耗低，適于與硅基體集成。外加電力，所以熱電型氫氣傳感器能耗低，適于與硅基體集成。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)熱電型氫氣傳感器具有兩大優(yōu)點：一是熱電材料直接將溫差轉(zhuǎn)換為電信號，不需要外加輔助電源，是一種典型的有源器件，故能耗低，且適于硅基體集成；二是其氫敏材料采用的是Pt，Pd等對氫氣具有非常優(yōu)良選擇性的催化金屬，故其選擇性較好。催化劑和熱電材料是熱電型氫氣傳感器的核心材料，催化劑的催化活性和熱電材料的性能決定了其性能。(3) 光學(xué)型氫氣傳感器在光學(xué)型氫氣傳感器中，一般用鈀層作為活性層?；钚遭Z層與

34、氫氣接觸時，H2在鈀/氣體界面上被鈀吸收離解為H，并與鈀形成PdH2。與H結(jié)合前鈀以相存在，隨著吸收的氫氣量的增加，鈀由相經(jīng)過一個、相共存的過渡相后轉(zhuǎn)變?yōu)橄?。鈀發(fā)生相變后，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，且變化值是氫氣濃度的函數(shù)從而實現(xiàn)對氫氣的光檢測。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)光學(xué)氫氣傳感器是最有前景的氧氣傳感器之一。在一些特殊的環(huán)境中，如氫氣濃度可能達到爆炸限的環(huán)境中，光學(xué)氫氣傳感器具有其他傳感器不可比擬的優(yōu)點。光學(xué)氫氣傳感器是用光信號進行檢測，不需要加熱或電信號，避免爆炸的可能性，因此，與其他傳感器相比，它更安全；由于光學(xué)氫氣傳感器在常溫下就有良好的敏感性，故在常溫下適用，而其他傳感器常需在幾百度的

35、高溫下才能正常運行；使用適當(dāng)波長的光和光纖就可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)測，因此它更方便實用。(4) 電化學(xué)氫氣傳感器 雖然電化學(xué)氫氣傳感器的壽命不盡人意，但由于它產(chǎn)生的電勢與傳感器尺寸無關(guān)，容易微型化，因此得到了應(yīng)用。特別是固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展，引起了人們對電化學(xué)傳感器更多的關(guān)注。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)傳感器是一種自身能產(chǎn)生電流的電流型電池。產(chǎn)生的電流與消耗的氫氣的量成正比，電路中的電阻產(chǎn)生電壓信號輸出。這類傳感器的優(yōu)點在于它產(chǎn)生的電流或電壓的檢測都很方便，且準(zhǔn)確度較高。(5) 光纖氫氣傳感器 由于多種固態(tài)氫氣傳感器使用的都是電信號，一個共同的弊端就是可能產(chǎn)生電火花，對于氫氣體積分數(shù)較

36、高的環(huán)境來說存在極大的安全隱患。而光纖傳感器使用的是光信號，所以，適用于易爆炸的危險環(huán)境。 光纖氫氣傳感器大都采用金屬Pd及其合金作為敏感材料，對氫氣具有良好的選擇性。光纖氫傳感技術(shù)是通過光纖技術(shù)測量薄膜的透射率、反射率等物理參數(shù)的改變實現(xiàn)對氫氣體積分數(shù)的檢測。到目前為止，發(fā)展最好、研究最為廣泛的是微鏡型傳感器和FBG型傳感器。 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 在光纖具有光柵的部分鍍上一層金屬在光纖具有光柵的部分鍍上一層金屬Pd膜即可得到膜即可得到FBG氫氣敏感元件。氫氣敏感元件。當(dāng)此元件放置在氫氛圍中，當(dāng)此元件放置在氫氛圍中，Pd吸收氫氣后形成吸收氫氣后形成Pd的氫化物，于是的氫化物，于是Pd

37、膜發(fā)膜發(fā)生形變，引起光柵波長的變化，通過測量光柵波長的變化檢測氫氣的體生形變，引起光柵波長的變化，通過測量光柵波長的變化檢測氫氣的體積分數(shù)。積分數(shù)。 在光纖的尾端鍍上一層在光纖的尾端鍍上一層Pd或者或者Pd合金膜即得到微反射鏡型合金膜即得到微反射鏡型(即微鏡型即微鏡型)光纖氫氣傳感器。當(dāng)入射光經(jīng)耦合器到達敏感元件，經(jīng)敏感元件反射后光纖氫氣傳感器。當(dāng)入射光經(jīng)耦合器到達敏感元件，經(jīng)敏感元件反射后再經(jīng)耦合器進入光檢測器。再經(jīng)耦合器進入光檢測器。Pd膜吸氫后，薄膜的反射率發(fā)生變化，于是膜吸氫后，薄膜的反射率發(fā)生變化，于是引起光檢測信號的變化，通過檢測接收端的光信號實現(xiàn)對氫氣體積分數(shù)引起光檢測信號的變化

38、，通過檢測接收端的光信號實現(xiàn)對氫氣體積分數(shù)的檢測。這類傳感器原理簡單，發(fā)展比較成熟。的檢測。這類傳感器原理簡單，發(fā)展比較成熟。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 10.2.2.5、二氧化硫氣體傳感器、二氧化硫氣體傳感器 用于用于SO2氣體濃度氣體濃度/體積分數(shù)測量方法很多，這里簡要介紹叉指電體積分數(shù)測量方法很多，這里簡要介紹叉指電容法、光學(xué)檢測法、聲表面波法、電解質(zhì)法。容法、光學(xué)檢測法、聲表面波法、電解質(zhì)法。 SO2叉指電容法，是根據(jù)叉指電容法，是根據(jù)SO2化學(xué)電子層特性，其與有機物結(jié)合，化學(xué)電子層特性，其與有機物結(jié)合，會導(dǎo)致介電常數(shù)的變化。根據(jù)電容的變化，測量氣體的濃度，現(xiàn)在濃度會導(dǎo)致介電常數(shù)的變

39、化。根據(jù)電容的變化，測量氣體的濃度，現(xiàn)在濃度測量比較精確的是采用聚苯芬。測量比較精確的是采用聚苯芬。 光學(xué)檢測比較常用的是紅外線吸收法和光干涉法。其中紅外吸收光學(xué)檢測比較常用的是紅外線吸收法和光干涉法。其中紅外吸收式傳感器包括兩個構(gòu)造形式完全相同的光學(xué)系統(tǒng)，一束紅外光入射到密式傳感器包括兩個構(gòu)造形式完全相同的光學(xué)系統(tǒng)，一束紅外光入射到密封著某種氣體的比較槽內(nèi)，另一束紅外光入射到通有被測氣體的槽內(nèi)。封著某種氣體的比較槽內(nèi)，另一束紅外光入射到通有被測氣體的槽內(nèi)。兩個光學(xué)系統(tǒng)的光源同時以固定周期開閉。由于不同種類的氣體對不同兩個光學(xué)系統(tǒng)的光源同時以固定周期開閉。由于不同種類的氣體對不同波長的紅外光具

40、有不同的吸收特性，同時同種氣體而不同濃度對紅外光波長的紅外光具有不同的吸收特性，同時同種氣體而不同濃度對紅外光的吸收量也彼此相異。通過測量槽和比較槽的改變量來檢測出是哪種氣的吸收量也彼此相異。通過測量槽和比較槽的改變量來檢測出是哪種氣體。體。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)SO2聲表面波傳感器，通常采用雙通道法來壓制共膜比，氣體敏聲表面波傳感器，通常采用雙通道法來壓制共膜比，氣體敏感膜有采用感膜有采用CdS膜，此傳感器測量精度高達，測量分辨率為膜，此傳感器測量精度高達，測量分辨率為106 /Hz。結(jié)合光纖傳感器和光聲理論研制出高靈敏度光聲光纖結(jié)合光纖傳感器和光聲理論研制出高靈敏度光聲光纖SO2傳感

41、器，傳感器，在常溫下測出濃度為在常溫下測出濃度為106的的SO2。電解質(zhì)早期的有液態(tài)。電解質(zhì)早期的有液態(tài)Li2SO4-K2SO4-Na2SO4，固體電解質(zhì)有，固體電解質(zhì)有NASICON和和LaF3。固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)SO2傳感器分全固態(tài)、半固態(tài)傳感器分全固態(tài)、半固態(tài)SO2傳感器，現(xiàn)工作電極采用較多的是傳感器，現(xiàn)工作電極采用較多的是Nafion膜，亦有采用膜，亦有采用V2O5，研制的傳感器均優(yōu)于全液態(tài)控制，研制的傳感器均優(yōu)于全液態(tài)控制SO2傳傳感器，而固態(tài)控制型響應(yīng)時間、結(jié)構(gòu)性能更好，但響應(yīng)靈敏度不感器，而固態(tài)控制型響應(yīng)時間、結(jié)構(gòu)性能更好，但響應(yīng)靈敏度不如液態(tài)和半固態(tài)。如液態(tài)和半固態(tài)。第10

42、章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.2.3、幾種氣體傳感器的應(yīng)用實例10.2.3.1、紅外甲烷傳感器在二次測爆裝置中應(yīng)用井下待測氣中可燃氣主要成分是甲烷，因此選用測量精度較高的IR12BD型紅外傳感器。IRl2BD采用非分散性紅外(NDIR)技術(shù)來檢測氣體，這種非毒化的傳感器技術(shù)依賴于目標(biāo)氣體特有的明確的吸收光譜，這用來分辨目標(biāo)氣體和氣體的濃度。使用一個合適的紅外光源，通過目標(biāo)氣體對光線的吸收來檢測目標(biāo)氣體的存在和濃度。向四周擴散的氣體通過傳感器頂端的顆粒過濾膜進入傳感器的光學(xué)房間。依靠表面的光線能量的變化，在內(nèi)部的鋰鉭探測器輸出信號。在傳感器中使用一個長壽命鎢自熾燈作為寬頻紅外線的來源。燈的電壓必須

43、是脈沖電壓。最適合的工作脈沖電壓為4Hz，50 占空比。通過脈沖電壓來減少或消除光線的背景干涉作用。探測器信號包括了直流電壓疊加的諧波。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)使用兩個紅外探測器，過濾器與活躍的探測器是相匹配的，這些使用兩個紅外探測器，過濾器與活躍的探測器是相匹配的，這些探頭對具有絕對強吸收光線的特殊氣體是透明的。當(dāng)需要設(shè)計一個探頭對具有絕對強吸收光線的特殊氣體是透明的。當(dāng)需要設(shè)計一個滿意的解決方案和要求一個緊湊結(jié)構(gòu)的傳感器時，可以使用這種只滿意的解決方案和要求一個緊湊結(jié)構(gòu)的傳感器時，可以使用這種只需短距離的光學(xué)傳感器。當(dāng)光學(xué)輻射穿過稀薄的氣體時，來自活躍需短距離的光學(xué)傳感器。當(dāng)光學(xué)輻射穿

44、過稀薄的氣體時，來自活躍探測器的波紋峰一峰值將減小。第二個參考探測器因為使用不同的探測器的波紋峰一峰值將減小。第二個參考探測器因為使用不同的過濾器而對波紋峰值減小這樣的變化不敏感。通過獲取第二個峰一過濾器而對波紋峰值減小這樣的變化不敏感。通過獲取第二個峰一峰探測器信號的比率，能夠分辨出目標(biāo)氣體由于周圍環(huán)境的變化而峰探測器信號的比率，能夠分辨出目標(biāo)氣體由于周圍環(huán)境的變化而引起的信號的變化。引起的信號的變化。吸收分數(shù)吸收分數(shù)(Fa)關(guān)系式如下：關(guān)系式如下：Fa=1一一s1(Rs2)。這里。這里s1和和s2分別分別是活躍探測器和參考探測器的峰峰值，而是活躍探測器和參考探測器的峰峰值，而R的定義為：的

45、定義為：R=s1s2。這里這里s1和和s2分別是分別是s1和和s2在沒有特定氣體下的數(shù)值。在沒有特定氣體下的數(shù)值。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.2.3.2、TGS2440一氧化碳傳感器在火災(zāi)探測方面的應(yīng)用一氧化碳傳感器在火災(zāi)探測方面的應(yīng)用 TGS2440 傳感器對一氧化碳氣體的測量范圍是傳感器對一氧化碳氣體的測量范圍是301000ppm(1ppm=1/106)， 正常環(huán)境中，正常環(huán)境中， 一氧化碳含量小于一氧化碳含量小于10ppm，在廚房等位置一氧化碳含量小于在廚房等位置一氧化碳含量小于20ppm，煙霧中一氧化碳的含量，煙霧中一氧化碳的含量都在都在50ppm 以上。若一氧化碳濃度在以上。若

46、一氧化碳濃度在100ppm 以內(nèi)時，傳感器變以內(nèi)時，傳感器變化幅度會超過滿幅度的一半以上，所以非常適合于火災(zāi)探測?；葧^滿幅度的一半以上，所以非常適合于火災(zāi)探測。 傳感器測量電路如圖傳感器測量電路如圖10-2所示。傳感器的加熱絲供電所示。傳感器的加熱絲供電VH=4.80.2V，加熱周期為，加熱周期為1s，其中，其中5V脈沖持續(xù)脈沖持續(xù)14ms，0V 脈沖脈沖持續(xù)持續(xù)986ms；采樣電路脈沖為；采樣電路脈沖為5V，超前加熱脈沖，超前加熱脈沖5ms，0V 脈沖脈沖995ms，整個周期也是，整個周期也是1s。傳感器應(yīng)該對一氧化碳有較好的一致性，。傳感器應(yīng)該對一氧化碳有較好的一致性，TGS244

47、0的阻抗的阻抗RS在一氧化碳濃度為在一氧化碳濃度為100ppm 時為時為1.6216.2K，靈敏度靈敏度為為0.260.52。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)在正常環(huán)境下傳感器阻抗都在數(shù)百千歐以上，為了更精確得到在正常環(huán)境下傳感器阻抗都在數(shù)百千歐以上，為了更精確得到所測氣體濃度值，所測氣體濃度值，TGS2440傳感器又按靈敏度分了六檔，從傳感器又按靈敏度分了六檔，從A到到F，從而保證濃度測量的準(zhǔn)確性。從而保證濃度測量的準(zhǔn)確性。圖10-2 TGS2440 傳感器測量電路第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 利用利用TGS2440對煙霧中一氧化碳成分的分析，并結(jié)合光電傳感器對對煙霧中一氧化碳成分的分析，并結(jié)合

48、光電傳感器對煙霧的響應(yīng)，可以達到準(zhǔn)確報警。煙霧的響應(yīng)，可以達到準(zhǔn)確報警。TGS2440傳感器的工作過程為：探測器傳感器的工作過程為：探測器上電后，上電后，TGS2440首先有一個穩(wěn)定過程，需要經(jīng)過首先有一個穩(wěn)定過程，需要經(jīng)過3到到5min時間。在此期時間。在此期間，程序?qū)馂?zāi)信息不進行處理。間，程序?qū)馂?zāi)信息不進行處理。TGS2440穩(wěn)定工作后，光電傳感器開始穩(wěn)定工作后，光電傳感器開始接收外部信號，當(dāng)外部信號接收外部信號，當(dāng)外部信號(煙霧、水霧、灰塵等引起煙霧、水霧、灰塵等引起)發(fā)生變化時，其變發(fā)生變化時，其變化幅度超過光電傳感器閾值，這時化幅度超過光電傳感器閾值，這時TGS2440首先會判斷

49、一氧化碳濃度是否首先會判斷一氧化碳濃度是否超出設(shè)定值，從而決定是否報警；像水霧不會產(chǎn)生一氧化碳，火災(zāi)探測器超出設(shè)定值，從而決定是否報警；像水霧不會產(chǎn)生一氧化碳，火災(zāi)探測器就會認為是誤報，加以濾除。就會認為是誤報，加以濾除。 現(xiàn)在用于火災(zāi)探測的探測器種類非常多，如離子感煙探測器、光電現(xiàn)在用于火災(zāi)探測的探測器種類非常多，如離子感煙探測器、光電感煙探測器和感溫感煙探測器等。但每種探測器都有一些缺陷，只能在一感煙探測器和感溫感煙探測器等。但每種探測器都有一些缺陷，只能在一些特定的場合使用，些特定的場合使用，第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)如光電探測器對煙霧的響應(yīng)度較低，即只有煙霧濃度達到一定后才能如光電探

50、測器對煙霧的響應(yīng)度較低，即只有煙霧濃度達到一定后才能報出火警，并且對一些有機物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的黑煙靈敏度很低，有報出火警，并且對一些有機物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的黑煙靈敏度很低，有時會無法報出火警。即使能報出火災(zāi)信息，往往也是火災(zāi)發(fā)生到時會無法報出火警。即使能報出火災(zāi)信息，往往也是火災(zāi)發(fā)生到較高的程度，己帶來了一定的損失。而過高的火災(zāi)探測靈敏度也較高的程度，己帶來了一定的損失。而過高的火災(zāi)探測靈敏度也往往會帶來誤報率的上升，因此如何早期準(zhǔn)確報出火警已是消防往往會帶來誤報率的上升，因此如何早期準(zhǔn)確報出火警已是消防行業(yè)必需研究的課題。行業(yè)必需研究的課題。 10.2.3.3、氧氣傳感器在火電廠的應(yīng)用、氧氣傳感器在火

51、電廠的應(yīng)用 火電廠使用的氧氣傳感器主要有熱磁式氧氣傳感器和氧化鋯氧氣傳火電廠使用的氧氣傳感器主要有熱磁式氧氣傳感器和氧化鋯氧氣傳感器兩種。感器兩種。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 熱磁式氧氣傳感器是利用煙氣組份中氧氣的磁化率特別高這一物熱磁式氧氣傳感器是利用煙氣組份中氧氣的磁化率特別高這一物理特性來測定煙氣中的氧氣含量。氧氣為順磁性氣體，在不均勻磁場理特性來測定煙氣中的氧氣含量。氧氣為順磁性氣體，在不均勻磁場中，氣體能被磁場所吸引而流向磁場較強處。在該處設(shè)有加熱絲，使中，氣體能被磁場所吸引而流向磁場較強處。在該處設(shè)有加熱絲，使此處氧的溫度升高而磁化率下降。因而磁場吸引力減小，受后面磁化此處氧的溫

52、度升高而磁化率下降。因而磁場吸引力減小，受后面磁化率較高的未被加熱的氧氣分子推擠而排出磁場，由此造成率較高的未被加熱的氧氣分子推擠而排出磁場，由此造成“熱磁對流熱磁對流”或或“磁風(fēng)磁風(fēng)”現(xiàn)象。在一定的氣樣壓力、溫度和流量下，通過測量磁風(fēng)現(xiàn)象。在一定的氣樣壓力、溫度和流量下，通過測量磁風(fēng)大小就可測得氣樣中氧氣含量。由于熱敏元件大小就可測得氣樣中氧氣含量。由于熱敏元件(鉑絲鉑絲)既作為不平衡電既作為不平衡電橋的兩個橋臂電阻，又作為加熱電阻絲。在磁風(fēng)的作用下出現(xiàn)溫度梯橋的兩個橋臂電阻，又作為加熱電阻絲。在磁風(fēng)的作用下出現(xiàn)溫度梯度，即進氣側(cè)橋臂的溫度低于出氣側(cè)橋臂的溫度。不平衡電橋?qū)㈦S著度，即進氣側(cè)橋

53、臂的溫度低于出氣側(cè)橋臂的溫度。不平衡電橋?qū)㈦S著氣樣中氧氣含量的不同，輸出相應(yīng)的電壓值。當(dāng)氣樣中無氧氣存在時，氣樣中氧氣含量的不同，輸出相應(yīng)的電壓值。當(dāng)氣樣中無氧氣存在時，磁風(fēng)消失，兩橋臂溫度相同，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。磁風(fēng)消失，兩橋臂溫度相同，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 氧化鋯氧氣傳感器在氧化鋯電解質(zhì)的兩面各燒結(jié)一個鉑電極，當(dāng)氧化鋯氧氣傳感器在氧化鋯電解質(zhì)的兩面各燒結(jié)一個鉑電極，當(dāng)氧化鋯兩側(cè)的氧分壓不同時，氧分壓高的一側(cè)的氧以離子形式向氧分壓氧化鋯兩側(cè)的氧分壓不同時，氧分壓高的一側(cè)的氧以離子形式向氧分壓低的一側(cè)遷移，結(jié)果使氧分壓高的一例鉑電極推動電子顯正電，

54、而氧分低的一側(cè)遷移，結(jié)果使氧分壓高的一例鉑電極推動電子顯正電，而氧分壓低的一側(cè)鉑電極得到電子顯負電，因而在兩鉑電極之間產(chǎn)生氧濃差電壓低的一側(cè)鉑電極得到電子顯負電，因而在兩鉑電極之間產(chǎn)生氧濃差電勢。此電勢在溫度一定時只與兩側(cè)氣體中氧氣含量的差勢。此電勢在溫度一定時只與兩側(cè)氣體中氧氣含量的差(氧濃差氧濃差)有關(guān)。有關(guān)。若一側(cè)氧氣含量已知若一側(cè)氧氣含量已知(如空氣中氧氣含量為常數(shù)如空氣中氧氣含量為常數(shù))，則另一側(cè)氧氣含量，則另一側(cè)氧氣含量(如如煙氣中氧氣含量煙氣中氧氣含量)就可用氧濃差電勢表示，測出氧濃差電勢，便可知道煙就可用氧濃差電勢表示，測出氧濃差電勢，便可知道煙氣中氧氣含量。當(dāng)溫度改變時，即使

55、煙氣中氧氣含量不變，輸出的氧濃氣中氧氣含量。當(dāng)溫度改變時，即使煙氣中氧氣含量不變，輸出的氧濃差電勢也要改變。所以，現(xiàn)在使用的氧化鋯氧氣傳感器均裝有恒溫裝置，差電勢也要改變。所以，現(xiàn)在使用的氧化鋯氧氣傳感器均裝有恒溫裝置，使氧化鋯氧氣傳感器工作在恒定溫度下，使氧化鋯氧氣傳感器工作在恒定溫度下， 以保證測量的準(zhǔn)確度。以保證測量的準(zhǔn)確度。第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù) 火電廠對鍋爐煙氣含氧量的監(jiān)測和控制，都要求氧氣傳感器具有火電廠對鍋爐煙氣含氧量的監(jiān)測和控制，都要求氧氣傳感器具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、響應(yīng)迅速和經(jīng)久耐用等基本性能。熟磁式氧氣傳感器準(zhǔn)確、穩(wěn)定、響應(yīng)迅速和經(jīng)久耐用等基本性能。熟磁式氧氣傳感器雖然具有

56、結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和調(diào)整等優(yōu)點，但由于其反應(yīng)速度慢、雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和調(diào)整等優(yōu)點，但由于其反應(yīng)速度慢、測量誤差大、容易發(fā)生測量環(huán)室堵塞和熱敏元件腐蝕嚴重等缺點，測量誤差大、容易發(fā)生測量環(huán)室堵塞和熱敏元件腐蝕嚴重等缺點，使熱磁式氧氣傳感器在火電廠的應(yīng)用日漸減少，逐漸被氧化鋯氧氣使熱磁式氧氣傳感器在火電廠的應(yīng)用日漸減少，逐漸被氧化鋯氧氣傳感器所取代。傳感器所取代。 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.3、濕敏傳感器、濕敏傳感器10.3.1、濕度的定義及其表示方法 10.3.2、濕敏傳感器的定義、性能參數(shù)及特性 10.3.3、濕敏傳感器的分類 10.3.4、常用濕敏傳感器的基本原理 10.3

57、.5、濕度傳感器的測量電路 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.3、濕敏傳感器、濕敏傳感器 人們早就發(fā)現(xiàn)了人的頭發(fā)隨大氣濕度變化而伸長或縮短的現(xiàn)象，因人們早就發(fā)現(xiàn)了人的頭發(fā)隨大氣濕度變化而伸長或縮短的現(xiàn)象，因而制成了毛發(fā)濕度計。這類早期的濕度計的響應(yīng)速度、靈敏度、準(zhǔn)確性而制成了毛發(fā)濕度計。這類早期的濕度計的響應(yīng)速度、靈敏度、準(zhǔn)確性等指標(biāo)都不高。等指標(biāo)都不高。20世紀(jì)世紀(jì)50年代以后，人們研制出了電阻濕度計，近年來年代以后，人們研制出了電阻濕度計，近年來又出了半導(dǎo)體濕敏、金屬陶瓷濕敏等器件。金屬陶瓷濕敏的基本原理為：又出了半導(dǎo)體濕敏、金屬陶瓷濕敏等器件。金屬陶瓷濕敏的基本原理為：當(dāng)水分子在陶瓷晶粒

58、間吸附時，可離解出大量的導(dǎo)電離子，這些離子擔(dān)當(dāng)水分子在陶瓷晶粒間吸附時，可離解出大量的導(dǎo)電離子，這些離子擔(dān)負著電荷的輸運，導(dǎo)致材料電阻下降。大多數(shù)半導(dǎo)體陶瓷屬于負感濕特負著電荷的輸運，導(dǎo)致材料電阻下降。大多數(shù)半導(dǎo)體陶瓷屬于負感濕特性的材料，其阻值隨環(huán)境濕度的增加而減小。性的材料，其阻值隨環(huán)境濕度的增加而減小。 第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.3.1、濕度的定義及其表示方法、濕度的定義及其表示方法 所謂濕度，是指大氣中水蒸氣的含量。它通常有如下幾種表示所謂濕度，是指大氣中水蒸氣的含量。它通常有如下幾種表示方法：絕對濕度（方法：絕對濕度（AH）、相對濕度（）、相對濕度（RH）、露點（溫度）、露點

59、（溫度） 。 絕對濕度（絕對濕度（AH）：絕對濕度是指單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣）：絕對濕度是指單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，其數(shù)學(xué)表達式為的質(zhì)量，其數(shù)學(xué)表達式為 絕對濕度給出了水分在空氣中的具體含量。絕對濕度給出了水分在空氣中的具體含量。相對濕度（相對濕度（RH）：相對濕度是指待測空氣中實際所含的水蒸氣分壓）：相對濕度是指待測空氣中實際所含的水蒸氣分壓PV與相同溫度下飽和水蒸氣壓比值的百分數(shù)。其數(shù)學(xué)表達式為：與相同溫度下飽和水蒸氣壓比值的百分數(shù)。其數(shù)學(xué)表達式為：VmHVa%100WVTPPH第10章化學(xué)與生物傳感器技術(shù)10.3.2、濕敏傳感器的定義、性能參數(shù)及特性、濕敏傳感器的定義、性能參數(shù)

60、及特性 濕敏傳感器是一種能將被測環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。主要濕敏傳感器是一種能將被測環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。主要由兩個部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，由兩個部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補償、輸出顯示設(shè)備等。如輔助電源、溫度補償、輸出顯示設(shè)備等。一個理想的濕敏傳感器應(yīng)具備的性能：一個理想的濕敏傳感器應(yīng)具備的性能： 使用壽命長，穩(wěn)定性好使用壽命長，穩(wěn)定性好 靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)小靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)小 使用范圍寬，測量精度高使用范圍寬，測量精度高 響應(yīng)迅速響應(yīng)迅速 濕滯回差小，重現(xiàn)性好濕滯回差小，重現(xiàn)性