第章化学传感器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第11章化学传感器知识单元与知识点化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器定义；湿度表示方法（绝对湿度、相对湿度和露点）；气敏传感器、湿敏传感器主要参数和特征、类型、特点；半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器工作原理；气敏传感器、湿敏传感器应用。能力点了解化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器定义；了解湿度表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器主要参数和特征、类型、特点；会分析半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器应用。重难点重点：基本概念；气敏传感器、湿敏传感器主要参数和特征、类型、特点；导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器工作原理。难点：半导体陶瓷湿敏材料导电机理。学习要求了解化学传感器、气敏传感器、湿敏传感器定义及湿度表示方法；了解气敏传感器、湿敏传感器主要参数和特征、类型、特点；掌握半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器工作原理；了解气敏传感器、湿敏传感器应用。第1页物理传感器与化学传感器n 在人类感觉中，视觉、听觉和触觉获取是在人类感觉中，视觉、听觉和触觉获取是物理信息（光，物理信息（光，力）力），与之相关传感器被分类为，与之相关传感器被分类为物理传感器物理传感器。嗅觉、味觉获取。嗅觉、味觉获取是是化学信息（化学物质浓度，组成）化学信息（化学物质浓度，组成），称为，称为化学传感器化学传感器。n 人感觉有种种局限，它对许多有味物质感觉比较迟钝，人感觉有种种局限，它对许多有味物质感觉比较迟钝，同时能感觉到化学对象种类亦有限。比如人嗅觉不能识别有毒同时能感觉到化学对象种类亦有限。比如人嗅觉不能识别有毒COCO，因而经常在不知不觉中中毒。，因而经常在不知不觉中中毒。n 种类繁多化学传感器出现，突破了人类感官局限，比如，种类繁多化学传感器出现，突破了人类感官局限，比如，半导体气体传感器对人鼻嗅之无味半导体气体传感器对人鼻嗅之无味COCO有着非常灵敏检测能力。有着非常灵敏检测能力。第2页化学传感器概念n11.1 气敏传感器n11.2 湿敏传感器 化学传感器化学传感器：能将各种化学物质特征改变定性或定量地转化为电信号传感器n气体成份与浓度n离子或电解质浓度n空气湿度第3页二、化学传感器分类n1、按工作原理分：电化学式光化学式热学式质量式 电流型电位型电导型你能描述下这三种传感器工作原理吗？电位型传感器（potentiometric sensors）是将溶解于电解质溶液中离子作用于离子电极而产生电动势作为传感器输出而取出，从而实现离子检测；电流型传感器（amperometric sensor）是在保持电极和电解质溶液界面为一恒定电位时，将被测物直接氧化或还原，并将流过外电路电流作为传感器输出而取出，从而实现化学物质检测；电导型传感器是以被测物氧化或还原后电解质溶液电导改变作为传感器输出而取出，从而实现物质检测。第4页2、按换能器操作原理分化学传感器光学式器件电学式器件质量敏感型器件磁学式器件热学式器件其它第5页3、按检测对象分类化学传感器离子传感器离子选择性液膜型离子固体膜型湿度传感器湿度传感器电阻式电容式其它生物传感器微生物传感器酶传感器免疫传感器气体传感器气体传感器半导体接触燃烧型固体电解质电解型第6页n气敏传感器定义：n是能够感知环境中某种气体某种气体及其浓度浓度一个敏感器件n它将气体种类及其浓度相关信息转换成电信号，依据这些电信号强弱便可取得与待测气体在环境中存在情况相关信息。11.1 气敏传感器 第7页气敏传感器是能够感知环境中 填空1 及其 填空2 敏感器件作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题2分第8页气敏传感器性能要求 n对被测气体含有较高灵敏度n对被测气体以外共存气体或物质不敏感 n性能稳定，重复性好 n动态特征好，对检测信号响应快速n使用寿命长 n制造成本低，使用与维护方便等 专一性第9页气敏传感器主要参数及特征n灵敏度灵敏度：对被测气体(种类)敏感程度n响应时间响应时间：对被测气体浓度响应速度n选择性选择性：指在各种气体共存条件下，气敏元件区分气体种类能力n稳定性稳定性：当被测气体浓度不变时，若其它条件发生改变，在要求时间内气敏元件输出特征保持不变能力n温度特征温度特征：气敏元件灵敏度随温度改变而改变特征n湿度特征湿度特征：气敏元件灵敏度随环境湿度改变而改变特征n电源电压特征电源电压特征：指气敏元件灵敏度灵敏度随电源电压改变而改变特征 n时效性时效性：反应元件气敏特征稳定程度时间，就是时效性；n交换性：交换性：同一型号元件之间气敏特征一致性，反应了其交换性 第10页选择性是指在各种气体共存条件下，气敏元件 填空1 能力作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分第11页气敏元件稳定性反应了（）能力对被测气体浓度高速响应区分气体种类抗干扰灵敏度不随电源电压改变ABCD提交单项选择题1分第12页气敏传感器分类类 型原 理检测对象特 点半导体式半导体式 若气体接触到加热金属氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、丙烷气等灵敏度高，结构与电路简单，但输出与气体浓度不成百分比接触燃烧式 可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏材料铂丝温度升高，电阻值对应增大燃烧气体输出与气体浓度成百分比，但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生电流、颜色、电导率增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等气体选择性好，但不能重复使用光干涉式利用与空气折射率不一样而产生干涉现象与空气折射率不一样气体，如CO2等寿命长，但选择性差热传导式依据热传导率差而放热发烧元件温度降低进行检测与空气热传导率不一样气体，如H2等结构简单，但灵敏度低，选择性差红外线吸收散射式因为红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量，但装置大，价格高第13页11.1.2 半导体式气敏传感器工作原理n半导体式气敏传感器概念：n利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生改变原理来检测特定气体成份或者浓度n半导体式气敏传感器可分为：n电阻式n非电阻式第14页半导体式气敏传感器 电阻式 烧结型 薄膜型 厚膜型 二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 PdMOSFET气敏传感器 非电阻式 半导体式气敏传感器分类 第15页（1）电阻式气敏传感器n基本原理n是利用气体在半导体表面氧化还原反应造成敏感元件阻值改变而制成。n当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附分子首先在表面上自由扩散(物理吸附)，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。n当半导体功函数小于吸附分子亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附负离子吸附，半导体表面展现电荷层。氧气等含有负离子吸附倾向气体被称为氧化型气体或电子接收型气体。n假如半导体功函数大于吸附分子离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附正离子吸附。含有正离子吸附倾向气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给型气体。第16页气体吸附规律n当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2,ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子降低，而使电阻值增大。n当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。第17页氧化性气体+P型半导体，电阻 填空1。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分第18页规则总结：n氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加n还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小n氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电阻减小n还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加 N型：电子型：电子N型：空穴型：空穴提供电子提供电子接收电子接收电子第19页还原性气体+N型半导体，电阻 填空1。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂可为此题添加文本、图片、公式等解析，且需将内容全部放在本区域内。正常使用需3.0以上版本还原性气体供给电子；N型半导体主要载流子为电子；所以还原型气体解除N型半导体后，因向半导体材料提供电子，造成半导体材料电子深入增多答案解析填空题1分答案解析第20页 N型半导体吸附气体时器件阻值改变图型半导体吸附气体时器件阻值改变图 第21页SnO2灵敏度特征和温湿度特征第22页SnO2气敏电阻基本检测电路第23页主要类型 n烧结型气敏器件 n薄膜型气敏器件 n厚膜型气敏器件 第24页烧结型气敏器件（10_1_01 7:41）烧结型气敏器件制作是将敏感材料（SnO2、ZnO等）和掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统制陶方法烧结。最终将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就组成器件。分为两种结构：直热式直热式和旁热式旁热式。第25页直热式气敏器件 n直热式器件管芯体积很小，加热丝加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量极兼作一个测量极n缺点：n热容量小，易受环境气流影响n测量电路与加热电路之间相互干扰，影响其测量参数n加热丝在加热与不加热两种情况下产生膨胀与冷缩，轻易造成器件接触不良第26页旁热式气敏器件 n旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料，就组成了器件n克服了直热式结构缺点，器件稳定性得到提升第27页薄膜型气敏器件 n制作采取蒸发或溅射方法，在处理好石英基片上形成一薄层金属薄层金属氧化物薄膜氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。试验证实：SnO2和ZnO薄膜气敏特征很好n优点：灵敏度高、响应快速、机械强度高、交换性好、产量高、成本低等第28页厚膜型气敏器件 n厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与315重量硅凝胶混合制成能印刷厚膜能印刷厚膜胶胶，把厚膜胶用丝网印制到用丝网印制到装有铂电极氧化铝基片上装有铂电极氧化铝基片上，在400800高温下烧结烧结12小时制成n优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产 第29页电阻式气敏传感器特点 n优点：n工艺简单，价格廉价，使用方便；n气体浓度发生改变时响应快速；n即使是在低浓度下，灵敏度也较高。n缺点：n稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间特征差异大等。第30页n气敏传感器QM-N5为对瓦斯敏感元件。闭合开关S，4V电源经过R1对气敏元件QM-N5预热。n当矿井无瓦斯或瓦斯浓度很低时当矿井无瓦斯或瓦斯浓度很低时，气敏元件A与B间等效电阻很大，经与电位器RP分压，其动触点电压 Ug 0.7V，不能触发晶闸管VT。所以，由LC179和R2组成警笛振荡器无供电，扬声器不发声；n假如瓦斯浓度超出安全标准假如瓦斯浓度超出安全标准，气敏元件A和B间等效电阻快速减小，致使 Ug 0.7V而触发VT导通，接通警笛电路电源，警笛电路产生振荡，扬声器发出报警声。n电位器电位器RP设定报警浓度。设定报警浓度。矿井瓦斯超限报警器工作原理图矿井瓦斯超限报警器工作原理图 11.1.3 气敏传感器应用第31页气敏电阻放大电路加热电源比较器电路触发电路晶闸管电路排风扇温度赔偿喇 叭声光报警驱动 电 路闪光指示油烟(煤气)自动通风扇原理框图 TGSl09型气敏传感器结构图 自动通风扇第32页 家用有毒气体报警器电路图家用有毒气体报警器第33页11.2 湿敏传感器 n11.2.1 湿敏传感器基本概念及分类n11.2.2 惯用湿敏传感器基本原理 n11.2.3 湿敏传感器应用 第34页湿度定义及其表示方法 所谓湿度，是指大气中水蒸气含量。它通常有以下几个表示方法：n绝对湿度（AH）n相对湿度（%RH）n露点 第35页绝对湿度（AH）绝对湿度是指单单位位体体积积空空气气内内所所含含水水蒸蒸气气质质量量，其数学表示式为 绝对湿度给出了水分在空气中详细含量水分在空气中详细含量。第36页相对湿度（RH）相对湿度是指待待测测空空气气中中实实际际所所含含水水蒸蒸气气分分压压与与相相同温度下饱和水蒸气压比值百分数同温度下饱和水蒸气压比值百分数。其数学表示式为：相对湿度给出了大气潮湿程度大气潮湿程度。实际中惯用。第37页露点（温度）n在一定大气压下，将含有水蒸气空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中水蒸气到达饱和空气中水蒸气到达饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度这一特定温度就称为露点温度第38页那么，在一定大气压下，湿度越大，露点越 填空1;反之亦然作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分第39页湿敏传感器定义 就是一个能将就是一个能将被测环境湿度被测环境湿度转换成转换成电信号电信号装置装置主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包含一些辅助元件，如辅助电源、温度赔偿、输出显示设备等 第40页一个理想湿敏传感器应具备性能n使用寿命长，稳定性好n 灵敏度高，线性度好，温度系数小n 使用范围宽，测量精度高n 响应快速n 湿滞回差小，重现性好 n 能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特征好n 器件一致性和交换性好，易于批量生产，成本低 n 器件感湿特征量应在易测范围内第41页湿敏传感器主要参数及特征10_2_02 n感湿特征感湿特征 感湿特征为湿敏传感器特征量(如：电阻值、电容值等)随湿度改变特征n湿度量程湿度量程 湿敏传感器感湿范围 n灵敏度灵敏度 湿敏传感器感湿特征量(如：电阻值、电容值等)随环境湿度改变程度，即湿敏传感器感湿特征曲线斜率n湿滞特征湿滞特征 同一湿敏传感器吸湿过程（相对湿度增大）和脱湿过程（相对湿度减小）感湿特征曲线不重合现象就称为湿滞特征。n响应时间响应时间 指在一定环境温度下，当被测相对湿度发生跃变时，湿敏传感器感湿特征量到达稳定改变量要求百分比所需时间。普通以对应起始湿度到终止湿度这一改变区间90%相对湿度改变所需时间来进行计算。n感湿温度系数感湿温度系数 当被测环境湿度恒定不变时，温度每改变1，引发湿敏传感器感湿特征量改变量，就称为感湿温度系数。n老化特征老化特征 老化特征是指湿敏传感器在一定温度、湿度环境下存放一定时间后，其感湿特征将会发生改变特征。第42页湿敏传感器分类 界限电流式湿敏传感器界限电流式湿敏传感器湿敏传感器湿敏传感器电阻式电阻式电容式电容式其它其它电解质式电解质式陶瓷式陶瓷式高分子式高分子式陶瓷式陶瓷式高分子式高分子式光纤湿敏传感器光纤湿敏传感器二极管式、石英振子、二极管式、石英振子、SAWSAW式、微波式、热导式等式、微波式、热导式等第43页11.2.2 惯用湿敏传感器基本原理 n电阻式湿敏传感器 n电容式湿敏传感器 第44页电阻式湿敏传感器n电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随湿度改变基本原理来进行工作，其感湿特征量为电阻值。n依据使用感湿材料不一样，电阻式湿敏传感器可分为：n电解质式n陶瓷式n高分子式第45页电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生改变而制成测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子形式存在，而Li对水分子吸引力强，离子水合程度高，其溶液中离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，所以，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度测量。第46页湿敏电阻结构示意图 第47页氯化锂湿度电阻特征曲线 第48页 氯化锂湿敏元件优优点点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达%缺缺点点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短第49页陶瓷式电阻湿敏传感器陶瓷式电阻湿敏传感器 通常，用两种以上金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等前三种材料电阻率随湿度增加而下降，故称为负负特特征征湿敏半导体陶瓷，最终一个电阻率随湿度增加而增大，故称为正正特特征征湿敏半导体陶瓷第50页 1.负特征湿敏半导体陶瓷导电机理负特征湿敏半导体陶瓷导电机理 因为水水分分子子中中氢氢原原子子含含有有很很强强正正电电场场，当水在半导体陶瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导体陶瓷表面带负电若该半半导导体体陶陶瓷瓷是是型型半半导导体体，则因为水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多空穴抵达其表面，其表面层电阻下降 若该半半导导体体陶陶瓷瓷为为型型半半导导体体，则因为水分子附着使表面电势下降，假如表面电势下降较多，不但使表面层电子耗尽，同时吸引更多空穴抵达表面层，有可能使抵达表面层空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表表面面反反型型层层，这些空穴称为反型载流子。它们一样能够在表面迁移而表现出电导特征，使N型半导瓷材料表面电阻下降不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度增加而下降不论是型还是型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度增加而下降第51页几个负特征半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特征 第52页 2.正特征湿敏半导瓷导电机理正特征湿敏半导瓷导电机理 正特征湿敏半导瓷导电机理解释能够认为这类材料结构、电子能量状态与负特征材料有所不一样。当当水水分分子子附附着着半半导导瓷瓷表表面面使使电电势势变变负负时时，造造成成其其表表面面层层电电子子浓浓度度下下降降，但但这这还还不不足足以以使使表表面面层层空空穴穴浓浓度度增增加加到到出出现现反反型型程程度度，此此时时仍仍以以电电子子导导电电为为主主。于是，表面电阻将因为电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料表面电阻将随湿度增加而加大表面电阻将随湿度增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔，表面电导占百分比很大，故表面层电阻升高，必将引发总电阻值显著升高。第53页 Fe3O4半导体陶瓷正湿敏特征 第54页半导体陶瓷材料导电机理分类半导体陶瓷材料导电机理分类第55页 几个经典陶瓷湿敏传感器（自学）几个经典陶瓷湿敏传感器（自学）（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿电”转换器件，它是负特征半导瓷，MgCr2O4为型半导体，它电阻率低，阻值温度特征好，第56页MgCr2O4-TiO2陶瓷 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器感湿特征第57页 （2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏元件结构是将多孔材料金电极烧结在多孔陶瓷圆片两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤方形塑料盒中用树脂固定ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构 第58页陶瓷式电阻湿敏传感器特点 n传感器表面与水蒸气接触面积大，易于水蒸气吸收与脱却；n陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采取加热去污方法恢复材料湿敏特征；n能够经过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔结构，改进传感器湿敏特征。第59页高分子式电阻湿敏传感器 n利用利用高分子电解质吸湿而造成电阻率发生改变高分子电解质吸湿而造成电阻率发生改变基本原理来进行测量。n当水吸附在强极性基高分子上时，伴随湿度增加吸附量增大，吸附水分子凝聚呈液态水状态。n在低湿低湿吸附量少情况下，因为没有荷电离子产生，电阻值很高电阻值很高；n当相对湿湿度度增增加加时，凝凝聚聚化化吸吸附附水水就就成成为为导导电电通通道道，高高分分子子电电解解质质成成对对离离子子主要起载流子作用。另外，由吸吸附附水水本本身身离离解解出出来来质质子子（H H+）及及水水和和氢氢离离子子（H H3 3O O+）也起电荷载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加载流子数目急剧增加，传感器电阻急剧下降电阻急剧下降。n利用高分子电解质在不一样湿度条件下电离产生导电离子数量不等使阻值发生改变，就能够测定环境中湿度。n高分子式电阻湿敏传感器测量湿度范围大，工作温度在050，响应时间短（30s），可作为湿度检测和控制用。第60页（2）电容式湿敏传感器 n电容式湿敏传感器是有效利用湿敏元件电容量随湿度改变电容量随湿度改变特征来进行测量，经过检测其电容量改变值，从而间接取得被测湿度大小。电容式湿敏传感器结构图 第61页电容式湿敏传感器属于变 填空1 式电容传感器作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分第62页n电容式湿敏传感器检测范围宽，线性好检测范围宽，线性好，所以在实际中得到了广泛应用 电容式湿敏传感器感湿特征 第63页11.2.3湿敏传感器测量电路湿敏传感器测量电路n上图为一个带温度赔偿湿度测量电路，图中Rt是热敏电阻（20k，B4100K）；RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为LM2904。该电路湿度电压特征及温度特征表明：在相对湿度为30%90%RH、温度为1535范围内，输出电压表示湿度误差不超出3%RH。n实际上测电阻电路很多第64页(a)安装示意图(b)电路 汽车后窗玻璃自动去湿装置11.2.3 湿敏传感器应用 在常温常湿常温常湿情况下，调整好各电阻值，因RH阻值较大，使T1管导通，T2管截止，继电器J不工作，其常开触点J1断开，加热电阻RL无电流流过。当汽车内外温差较大，且湿度过大时湿度过大时，将造成湿敏电阻RH阻值减小，不足以维持T1管导通，此时T1管截止，T2管导通，使其负载继电器J通电，控制常开触点J1闭合，加热电阻丝RL开始加热，驱散后窗玻璃上湿气，同时加热指示灯亮。当玻璃上湿度减小到一定程度时，伴随RH增大，施密特电路又开始翻转到初始状态，T1管导通，T2管截止，常开触点J1断开，RL断电停顿加热，从而实现了防湿自动控制。第65页本章作业nP270：11.1、11.2、11.4、11.6第66页