化学传感器PPT

更舒适安全 更高的工作效率 贮存/催熟
烘干过程
达到/保持成品的最佳品质
使产品或原材料达到最佳品质
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面条烘干
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生产过程中的空气质量
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湿度
• 绝对湿度（AH)
绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其数学表达式为
mV Ha V
绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。
光干涉式
热传导式 红外线吸收 散射式
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烧结型 电阻式 薄膜型 厚膜型 半导体式气敏传感器 二极管气敏传感器 非电阻式 工作 原理
利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏 感元件阻值变化而制成的。 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，将使半导体载流子减少，而使 电阻值增大。 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。
优点：一致性好，机械强度高，适于
批量生产
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接触燃烧式气敏传感器
• 在铂丝线圈上涂有氧化铝制成球状物烧结，再在外表面敷设铂（ Pt）、钯（Pd）和 铑（Rh）等稀有金属催化剂。 • 测量电路为电桥，
• 气敏传感器主要用在可燃性气体测量及泄漏报警等装置上。
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红外线气敏传感器
工作原理： 由两个以上不同原子构成的气体分子，具 有偶极矩，当红外波段的光线照射它时，
就构成器件。
电极 绕结体 陶瓷绝缘管 (a) 结构
该类器件分为两种结构：直热式和
旁热式。
(b) 符号
图15.7 旁热式气敏器件的结构和符号
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薄膜型
制作采用蒸发或溅射的方法，在处理 好的石英基片上形成一薄层金属氧化 物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出 电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的 气敏特性较好。 优点：灵敏度高、响应迅速、机械强 度高、互换性好、产量高、成本低等
滤网
湿敏 陶瓷片 加热 线圈
固定 端子
MgCr2O4-TiO2陶瓷
陶瓷 基片
Ｐ型半导体，它的电阻率 低，阻值温度特性好， 负特性半导瓷
引线
ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件
塑料 外壳 陶瓷 烧结元 件
将多孔材料的金电极烧结在 多孔陶瓷圆片的两表面上，
多孔 金电极
• 陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可
以作为感温元件和气敏元件。
• 相对湿度(RH)
相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值 的百分数。其数学表达式为：
P H T V 100% P W
相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用
- 18 利用器件电阻值随湿度变化的基本原 理来进行工作的，其感湿特征量为电 阻值。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层 用感湿材料制成的膜，当空气中的水 蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻 率和电阻值都发生变化，利用这一特 性即可测量湿度。
生物传感器
利用离子选择电极，将感受的离子 量转换成可用输出信号的传感器。 离子传感器的作用 离子传感器用于 测量水溶液样本中选定离子的浓度。
对生物物质敏感并将其浓度转换为 电信号进行检测的仪器
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气体传感器
类 型 原 理 检测对象
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等 燃烧气体
特
点
半导体式
接触燃烧式
降低温度会产生结露现象。露点与农作物 的生长有很大关系，结露也严重影响电子 仪器的正常工作，必须予以注意。
测量露点的仪器
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离子传感器
金属-氧化物-半导体场效应晶 体管(MOSFET) 离子敏场效应晶体管（ISFET)
离子选择性电极（ISE）
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1 MOS管的结构和特性
转换部位是分离的，有利于对每种功能分
别进行优化;
传感器的微型化。
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气体传感器
湿度传感器
将气体种类及其浓度有关的信息转 换成电信号
检测对象
离子传感器
按
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感 湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附 在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都 发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
(4)自动换气扇
采用气体传感器对厨房内的的可燃性气体进行检测， 根据检测结果对换气扇进行控制的一种自动装置. (5)自动抽油烟机 自动抽油烟机能感知厨房的油烟等所造成的室内空气 污染，并自动开启排风扇，排除油烟等有害气体，净化 室内空气。
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湿敏传感器
生产过程的空气质量
为什么要测量湿度？
室内空气质量 让设备高效率地进行生产 消耗最低的能量
直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材 料内，兼作一个测量板。 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，就构成了器 件。 克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高
电极 加热器 电极
电极 测 量 电 极 加热丝
热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳
湿度增加时，凝聚化的吸附水就成为导电通道，高分子电
高分子式电阻湿敏传感器测量湿度范围大，工作 温度在0～50℃，响应时间短（<30s），可作 为湿度检测和控制用。 解质的成对离子主要起载流子作用。此外，由吸附水自身 离解出来的质子（H+）及水和氢离子（H3O+）也起电荷 载流子作用，这就使得载流子数目急剧增加，传感器的电 阻急剧下降。利用高分子电解质在不同湿度条件下电离产 生的导电离子数量不等使阻值发生变化，就可以测定环境 中的湿度。
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生
变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极
组成。
7 .0 6 .5
电 阻 值 的 对 数 /
吸附 脱附 1 5℃
1 4
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均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的 吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与 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，因此，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，从而实现对湿度的测量。
引线 树脂 固封
并焊上铂引线，然后将敏感 元件装入有网眼过滤的方形
塑料盒中用树脂固定
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高分子式电阻湿敏传感器
利用高分子电解质吸湿而导致电阻率发生变化的 基本原理来进行测量的 当水吸附在强极性基高分子上时，随着湿度的增加吸附量 增大，吸附水之间凝聚化呈液态水状态。在低湿吸附量少 的情况下，由于没有荷电离子产生，电阻值很高；当相对
MOS二极管气敏传感器
Pd—MOS FET气敏传感器
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器件电阻 / k 响应时间约 1 min 以内 1 00 稳定状 态 氧化型
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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烧结型
烧结型气敏器件的制作是将一定比例的 敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂 剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经 研磨后使其均匀混合，然后将混合好的 膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电 极，经传统的制陶方法烧结。最后将加
若气体接触到加热的金属 氧 化 物 ( SnO2、Fe2O3、ZnO2 等 ) ， 电阻值会增大或减小 可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大 利用化学溶剂与气体反应产生 的电流、颜色、电导率的增加 等 利用与空气的折射率不同而产 生的干涉现象 根据热传导率差而放热的发热 元件的温度降低进行检测 由于红外线照射气体分子谐振 而吸收或散射量进行检测
加热器 基片 引线 氧化物半导体 电极 引线
引线
电极 单位： mm
引线
图15.8 薄膜型气敏器件的结构
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厚膜型
厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材 料与3％～15％重量的硅凝胶混合制 成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网 印制到装有铂电极的氧化铝基片上， 在400～800℃高温下烧结1～2小时 制成
ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。
1-ZnO-LiO2-V2O5系 2-Si-Na2O-V2O5系 3-TiO2-MgO-Cr2O3系
2 20 2 00
• 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，
电 阻 /
1 80 1 60 图15.20 几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性 1 40 1 20 1 00 80 0 20 40 60 80 相 对 湿 度 / %R H 1 00
灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例 输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低 气体选择性好，但不能重 复使用 寿命长，但选择性差 构造简单，但灵敏度低， 选择性差 能定性测量，但装置大， 价格高
化学反应式
CO、H2、CH4、C2H5OH、 SO2等 与空气折射率不同的 气体，如CO2等 与空气热传导率不同 的气体，如H2等 CO、CO2等
6 .0
2
5 .5 5 .0 4 .5 4 .0 40 50 60 70 80 相 对 湿 度 / %RH 90
3 1—引 线 ； 2—基 片 ； 3—感 湿 层 ； 4—金 电 极
氯化锂湿度—电阻特性曲线
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陶瓷式电阻湿敏传感器
通常，用两种以上的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
电解质式 电阻式
陶瓷式
高分子式 陶瓷式
工作原理
湿敏传感器
电容式 高分子式
工作原理
利用湿敏元件电容量随湿度变化 的特性来进行测量的，通过检测 其电容量的变化值，从而间接获 得被测湿度的大小
光纤湿敏传感器 其它 界限电流式湿敏传感器 二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等
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电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器
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电容式湿敏传感器
有效利用湿敏元件电容量随湿度变化的特 性来进行测量的，通过检测其电容量的变
化值，从而间接获得被测湿度的大小
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的， 常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、 酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，
湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量
也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正 比。 电容式湿敏传感器检测范围宽，线性好，因 此在实际中得到了广泛的应用
化学传感器
Chemosensor
汇报人：肖慧思 汇报日期： 2018.11.07
CONTENTS
汇报内容 PART 01
分类 工作原理 应用
PART 02
PART 03
按传感方式分
分离型传感器
• 如离子传感器，液膜或固体膜具有接受器 功能，膜完成电信号的转换功能，接受和
组装一体化传感器
• 如半导体气体传感器，分子俘获功能与电 流转换功能在同一部位进行，有利于化学
产生核间隔振动性的变化运动和整个分子
绕一个轴作回转运动的能级迁移，吸收取 决于该分子结构的特定波长的光。测量这 种吸收光谱，则可判别气体分子的种类； 测吸收强度就可知道被测气体的浓度
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气敏传感器的应用
(1)家用煤气、液化石油气泄漏报警器
(2)瓦斯报警器
适用于小型煤矿和家庭 (3)酒精测试仪 用来探测汽车尾气的浓度
故称为负特性湿敏半导体陶瓷
• 最后一种的电阻率随湿度增加而增大，
故称为正特性湿敏半导体陶瓷
Fe3O4半导瓷的正湿敏特性
- 21 金属 电极
陶瓷式电阻湿敏传感器的特点
• 传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于 水蒸气的吸收与脱却； • 陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳 定，适合采用加热去污的方法恢复材料的 湿敏特性； • 可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和 细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。
工作原理： N沟道：当UGS 大于导通电压时，D-S极导通； P沟道：当UGS 小于导通电压0时，D-S极导通；
S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底
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来自百度文库
用半导体工艺制作的金属—氧化物—半导体场效应晶体管。场效
应管是一种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导电，因此
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房间湿度控制器
汽车后窗玻璃自动去湿装置
后窗玻璃
RL
RH
(a) 安装示意图
(b) 电路
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露点：当温度降到某一特定值时，饱和水蒸气分压
力等于同温度下的实际水蒸气分压力，相对湿度100%， 本来不饱和的空气，终于因室温下降而达到饱和状态， 这一特定温度称为该空气的露点温度。空气中水蒸气压 越小，露点越低，因此可以用露点表示空气湿度的大小。