中南大学传感与检测pptch-化学传感器.ppt

13.2.5 湿敏传感器的测量电路 2）典型电路* （2）带温度补偿的湿度测量电路 实用中要同时考虑湿度传感器的线性处理和温度补偿，常用运算放大器构成测量电路。如图所示，测量电路中Rt是热敏电阻(20kΩ，B=4100K)；RH为H204C湿度传感器，运放为LM2904。该电路的湿度电压特性及温度特性表明：在(30％~90％)RH、15℃~35℃范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3％RH。 _ + _ + 1V 120HZ 51kΩ 91kΩ 22kΩ 91kΩ RH +12V -12V D 20μF 47kΩ 100kΩ 100kΩ 330kΩ UOUT -VS Rt A2 A1 13.2.5 湿敏传感器的应用 1）SMC-2型湿度传感器 下图所示为SMC-2型湿度检测原理框图，它用湿敏器件实现“湿—电”转换。其中，湿敏器件是用金属氧化物半导体材料制成多孔半导体陶瓷，它的电导率随着对水蒸气的吸、脱附而发生变化，从而可将湿度转换成电压输出。 实际测试时，必须对湿敏器件进行清洗。为保证测量精度，传感器必须按“加热清洗→延时恢复→正常测量”的程序工作。 特点：感湿范围宽、寿命长、测量精度高、小型轻便。 13.2.5 湿敏传感器的应用 2）自动去湿控制 下图是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。 该电路以VT1和VT2为主组成的施密特触发电路为主构成。 13.3 离子敏传感器 离子敏传感器(ISFET)是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器。其基本原理是离子识别，利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电压的改变，以达到测量的目的。广泛应用在生化、医学环境监测等领域进行灵敏和迅速的微量分析。 1) ISFET的工作原理 如图所示，ISFET= ISE(离子选择电极)+MOSFET，它是把MOSFET的金属铝栅换为对离 子有选择性响应的敏感膜，让敏 感膜直接与被测离子溶液接触， 通过离子与敏感膜相互作用，调 制MOSFET的漏极电流和源极电 流的变化，达到检测溶液中离子 活度的目的。 ISFET的基本结构图 1) ISFET的工作原理 ISFET与普通MOSFET的不同在于没有金属栅极，栅介质裸露或在其上涂覆对离子敏感的敏感膜。敏感膜与参比电极以及待测溶液一起起着栅电极的作用。给参比电极施加的电压(包括溶液与敏感膜之间的能斯特电位)通过待测溶液加到绝缘栅上，使半导体表面反型，形成导电沟道。若参比电极赏识家的电压正好使半导体表面反型，这时参比电极上的电压称为阈值电压。对特定的ISFET，阈值电压为： UT*=?0+UR-[Qss/COX-2 ?F]?2.303RTlnai/(ziF), 式中，?0, R,F均为常数；T为绝对温度，ai待测离子的活度, zi为离子的价数。 对给定的ISFET、参比电极，对一价阳离子(H+),上式可化为： UT*=C+S x pH；其中S=dUT*/d pH为ISFET的灵敏度。 可知，由ISFET阈值电压的变化能测电解液的离子活度(浓度) 2）ISFET的性能参数 ISFET性能参数主要有灵敏度、选择系数及响应时间。 灵敏度： 待测离子活度变化10倍时，其界面电位的改变量。 S= ??i/?lnai=2.303RT/(ziF) 选择系数： 在相同条件下，引起相同界面电位的待测离子活度与干扰离子的活度之比。 响应时间： 分为电学响应时间和化学响应时间。 电学响应时间：在一定离子活度下固定VDS，从ISFET同待测溶液接触进行测量开始到IDS达到稳定值的95%所需时间； 化学响应时间：在一定的偏执电压下，改变待测离子活度时IDS达到稳定值的95%所需时间。 3）离子敏感膜 离子敏感膜是ISFET中核心的部分，它是响应不同离子并 将其化学量转换为电学量的关键，使用不同的栅介质和敏感 膜可派生出各种ISFET。常见有无机绝缘膜、固态敏感膜和有 机高分子PVC膜三种。 第13章 化学传感器 13.0 化学传感器概述 1）相关概念 定义：化学传感器是能将各种化学物质的状态或变化定性或定量转换成可用电信号输出的装置；它以化学物质成分(类别和含量)为检测参数。 原理：利用敏感材料与被测物中的分子、离子或生物物质接触时引起的电极电势、表面化学势的变化或发生的表面化学反应或生物反应，由此直接或间接地转换为电信号。 特殊性：其机理比物理传感器的复杂，特别是在许多化学物质中选择性地检测出某种特定