第六章 化学传感器(离子敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器)
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在待测溶液中，一般总是存在着许多种离子，其它离
子对待测离子的测量会起到干扰作用。考虑到干扰离 子的作用，能斯特方程可以表示为：
i
0
RT ni F
ln(i
j
K ) ni / n j ij j
其中，Kij 为选择系数
9
化学传感器
对于 n 沟道增强型场效应管，如果 U大G S 于场效应管 阈值电压 U，T 场效应管将由于 的UG作S 用而导通，其漏 极电流ID为：
12
特性曲线：在ID（ IDS)不变情况下
化学传感器
13
化学传感器
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
14
化学传感器
本节主要介绍两种半导体气敏传感器： 电阻式气敏传感器和MOSFET气敏传感器
溶液与敏感膜和参比电极同时接触，充当栅极。
7
化学传感器
二、离子的活度 若给离子场效应管加一个栅电压 ， 那U么G S在待测溶液和敏感膜的交界处将产生一定的界面 电位 ，根据i能斯特方程，
阴离子，若还原态物质活度为1，则有
i
0
RT nF
ln i
阳离子，若氧化态物质活度为1，则有
i
0
2.303RT nF
通过对ISFET的漏电流ID的大小的测量，就可以检测 出溶液中离子的浓度。
11
化学传感器
四、离子敏场效应管的特性 具有场效应管的优良特性，如转移特性、输出特性、
击穿特性等。而作为离子敏器件，它还应满足敏感管的一 些基本特性要求，例如响应特性、离子选择性、输出稳定 性等。 1离. 线子性浓度度：的器变件化在而特变定化的的测特量性范。围内的输出电流ID随溶液中
(Qss QB Cox
2F )
10
化学传感器
式中，QSS为场效应管等效表面态和氧化层电荷；QB为பைடு நூலகம்场效应管耗尽区单位面积电荷；Cox为场效应管单位面 积的栅电容；φF为场效应管P型衬底的体内费米能级。
在外加电压UGS 和UDS恒定、保持参考电极的电位φref不 变条件下，ISFET的漏电流ID的大小将随溶液的离子活 度αi的变化而变化。
一 、电阻式气敏传感器
1. 原理 将半随导气体体材浓料度如的S不nO同2表而面发吸生附改某变些。气体时，其电导率 例电如阻:S值nO可2是以由等许效多为晶三粒种组电成阻的串N联型：多晶体，其内部的 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
2
化学传感器
MOS 场效应管
离子敏场效应管（ISFET）的结构和一般的场效应管基 本相同，为了理解离子敏场效应管的原理，我们不妨 先简单回顾一下场效应管的工作原理。
下图为场效应管的结构
3
化学传感器
在栅、源极施加电压UGS，会导致栅极与源极之间的电 荷移动，并在栅极绝缘层下的P型半导体材料的表面大
非饱和区:
ID
COxW
L
[(U
/ GS
UT
)U DS
U
2 DS
2
]
COxW
L
[(U GS
UT )U DS
U
2 DS
2
]
饱和区：
ID
CoxW
2L
(UG S
UT )2
CoxW
2L
(UGS
UT )2
其中，UT 为等效阈值电压
UT
i
ref
UT
0
RT ni F
ln(i
j
ni
Kij j n j
) ref
2. 动态响应： 溶液中的离子活度阶跃变化或周期性变 化 出时电，压U离O子UT随敏时场间效而应变管化栅的源情电况压。UGS、漏极电流ID或输 3. 迟滞：溶液中离子活度由低值向高值变化或由高值 向低值变化，离子敏场效应管的输出的重复程度。 4. 选择系数：在相同的电气与外界环境条件下，引起 相 之同间界的面比电值位称的作待选测 择离 系子 数活，度用φKiij与表干示扰。离子的活度φj
量积聚负电荷而形成反型层。若UGS大于一定的阈值电 压UT，栅极绝缘层下面将形成强反型层，使P型衬底沿 栅极绝缘层的栅极与源极之间形成N型沟道，若在源
极和漏极间施加电压，则带粒子将沿着该沟道流通，
形成漏电流ID，大小为
当 UDS UGS （UT非饱和区）时
ID
1 2
(UGS
UT )2
当 UDS UGS U（T饱和区）时
化学传感器
第六章 化学传感器
➢ 离子敏传感器
1、 MOS场效应管
2、离子敏场效应管
➢ 气敏传感器
1、电阻式气敏传感器
2、MOSFET气敏传感器
➢ 湿敏传感器
1、水分子亲和力型湿敏传感器
2、非水分子亲和力型湿敏传感器
➢ 工业废水排放的自动监测
1、概述
2、在线检测解决方案
3、在线检测装置
1
化学传感器
ID
1 2
(U GS
UT )2
4
化学传感器
可以看出，场效应管漏电流ID的大小与阈值电压UT 有关，特别是在UDS 、 UGS恒定的情况下，阈值电压UT 的变化将引起漏电流ID的变化，而离子敏场效应管正 是利用场效应管的上述特征而实现对离子浓度的测量 的。
5
化学传感器
离子敏场效应管
离子敏感器件由离子选择膜（敏感膜）和转换器两部 分构成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器 则将敏感膜感知的信息转换为电信号。
离子敏场效应管的结构和一般的场效应管之间的不同 在于，离子敏场效应管没有金属栅电极，而是在绝缘 栅上制作一层敏感膜。敏感膜的种类很多，不同的敏 感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。
6
化学传感器
一、离子场效应管结构示意图如下，从图中可以看出， 与一般的场效应管相比，离子敏场效应管的绝缘层与 栅极之间没有金属栅极，而是含有离子的待测量的溶 液。绝缘层与溶液之间是离子敏感膜，可固态可液态。
ln i
式中，0 为常数；R为气体常数；T为器件的热力学温度； F为法拉第常数；n为溶液中离子的价数； 为溶i液中离 子的活度。
8
化学传感器
活度 i 表征了溶液中参加化学反应的离子浓度 Ci，其 单位为mol/L，并且：
i iCi
其中， i 为离子的活度系数，与溶液中离子的浓度有关， 离子浓度越大， i越小； 相反， i越大,当离子浓度 Ci =0时， i =1。
化学传感器
能将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质浓 度、空气湿度等）的变化定性或定量地转换成电信号 的传感器称为化学传感器。
由于这类化学物质种类繁多，化学传感器的种类和数 量也很多，各种器件转换原理也各不相同，并且由于 转换机理也相对复杂等原因，化学量传感器远不及物 理量传感器那样成熟和普及。但随着科学技术的发展， 人们对化学传感器的需求日益增多，化学传感器也日 显重要，了解化学传感器是很有必要的。
子对待测离子的测量会起到干扰作用。考虑到干扰离 子的作用，能斯特方程可以表示为：
i
0
RT ni F
ln(i
j
K ) ni / n j ij j
其中，Kij 为选择系数
9
化学传感器
对于 n 沟道增强型场效应管，如果 U大G S 于场效应管 阈值电压 U，T 场效应管将由于 的UG作S 用而导通，其漏 极电流ID为：
12
特性曲线：在ID（ IDS)不变情况下
化学传感器
13
化学传感器
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
14
化学传感器
本节主要介绍两种半导体气敏传感器： 电阻式气敏传感器和MOSFET气敏传感器
溶液与敏感膜和参比电极同时接触，充当栅极。
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化学传感器
二、离子的活度 若给离子场效应管加一个栅电压 ， 那U么G S在待测溶液和敏感膜的交界处将产生一定的界面 电位 ，根据i能斯特方程，
阴离子，若还原态物质活度为1，则有
i
0
RT nF
ln i
阳离子，若氧化态物质活度为1，则有
i
0
2.303RT nF
通过对ISFET的漏电流ID的大小的测量，就可以检测 出溶液中离子的浓度。
11
化学传感器
四、离子敏场效应管的特性 具有场效应管的优良特性，如转移特性、输出特性、
击穿特性等。而作为离子敏器件，它还应满足敏感管的一 些基本特性要求，例如响应特性、离子选择性、输出稳定 性等。 1离. 线子性浓度度：的器变件化在而特变定化的的测特量性范。围内的输出电流ID随溶液中
(Qss QB Cox
2F )
10
化学传感器
式中，QSS为场效应管等效表面态和氧化层电荷；QB为பைடு நூலகம்场效应管耗尽区单位面积电荷；Cox为场效应管单位面 积的栅电容；φF为场效应管P型衬底的体内费米能级。
在外加电压UGS 和UDS恒定、保持参考电极的电位φref不 变条件下，ISFET的漏电流ID的大小将随溶液的离子活 度αi的变化而变化。
一 、电阻式气敏传感器
1. 原理 将半随导气体体材浓料度如的S不nO同2表而面发吸生附改某变些。气体时，其电导率 例电如阻:S值nO可2是以由等许效多为晶三粒种组电成阻的串N联型：多晶体，其内部的 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
2
化学传感器
MOS 场效应管
离子敏场效应管（ISFET）的结构和一般的场效应管基 本相同，为了理解离子敏场效应管的原理，我们不妨 先简单回顾一下场效应管的工作原理。
下图为场效应管的结构
3
化学传感器
在栅、源极施加电压UGS，会导致栅极与源极之间的电 荷移动，并在栅极绝缘层下的P型半导体材料的表面大
非饱和区:
ID
COxW
L
[(U
/ GS
UT
)U DS
U
2 DS
2
]
COxW
L
[(U GS
UT )U DS
U
2 DS
2
]
饱和区：
ID
CoxW
2L
(UG S
UT )2
CoxW
2L
(UGS
UT )2
其中，UT 为等效阈值电压
UT
i
ref
UT
0
RT ni F
ln(i
j
ni
Kij j n j
) ref
2. 动态响应： 溶液中的离子活度阶跃变化或周期性变 化 出时电，压U离O子UT随敏时场间效而应变管化栅的源情电况压。UGS、漏极电流ID或输 3. 迟滞：溶液中离子活度由低值向高值变化或由高值 向低值变化，离子敏场效应管的输出的重复程度。 4. 选择系数：在相同的电气与外界环境条件下，引起 相 之同间界的面比电值位称的作待选测 择离 系子 数活，度用φKiij与表干示扰。离子的活度φj
量积聚负电荷而形成反型层。若UGS大于一定的阈值电 压UT，栅极绝缘层下面将形成强反型层，使P型衬底沿 栅极绝缘层的栅极与源极之间形成N型沟道，若在源
极和漏极间施加电压，则带粒子将沿着该沟道流通，
形成漏电流ID，大小为
当 UDS UGS （UT非饱和区）时
ID
1 2
(UGS
UT )2
当 UDS UGS U（T饱和区）时
化学传感器
第六章 化学传感器
➢ 离子敏传感器
1、 MOS场效应管
2、离子敏场效应管
➢ 气敏传感器
1、电阻式气敏传感器
2、MOSFET气敏传感器
➢ 湿敏传感器
1、水分子亲和力型湿敏传感器
2、非水分子亲和力型湿敏传感器
➢ 工业废水排放的自动监测
1、概述
2、在线检测解决方案
3、在线检测装置
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化学传感器
ID
1 2
(U GS
UT )2
4
化学传感器
可以看出，场效应管漏电流ID的大小与阈值电压UT 有关，特别是在UDS 、 UGS恒定的情况下，阈值电压UT 的变化将引起漏电流ID的变化，而离子敏场效应管正 是利用场效应管的上述特征而实现对离子浓度的测量 的。
5
化学传感器
离子敏场效应管
离子敏感器件由离子选择膜（敏感膜）和转换器两部 分构成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器 则将敏感膜感知的信息转换为电信号。
离子敏场效应管的结构和一般的场效应管之间的不同 在于，离子敏场效应管没有金属栅电极，而是在绝缘 栅上制作一层敏感膜。敏感膜的种类很多，不同的敏 感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。
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化学传感器
一、离子场效应管结构示意图如下，从图中可以看出， 与一般的场效应管相比，离子敏场效应管的绝缘层与 栅极之间没有金属栅极，而是含有离子的待测量的溶 液。绝缘层与溶液之间是离子敏感膜，可固态可液态。
ln i
式中，0 为常数；R为气体常数；T为器件的热力学温度； F为法拉第常数；n为溶液中离子的价数； 为溶i液中离 子的活度。
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化学传感器
活度 i 表征了溶液中参加化学反应的离子浓度 Ci，其 单位为mol/L，并且：
i iCi
其中， i 为离子的活度系数，与溶液中离子的浓度有关， 离子浓度越大， i越小； 相反， i越大,当离子浓度 Ci =0时， i =1。
化学传感器
能将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质浓 度、空气湿度等）的变化定性或定量地转换成电信号 的传感器称为化学传感器。
由于这类化学物质种类繁多，化学传感器的种类和数 量也很多，各种器件转换原理也各不相同，并且由于 转换机理也相对复杂等原因，化学量传感器远不及物 理量传感器那样成熟和普及。但随着科学技术的发展， 人们对化学传感器的需求日益增多，化学传感器也日 显重要，了解化学传感器是很有必要的。