第11章化学与生物传感器预案.ppt

将各种化学物质的特性(如气体、离子或电解质浓度、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。化学传感器的种类和数量很多，各种器件转换原理也各不相同，这里主要分析气敏传感器和湿敏传感器。 本章对化学传感器主要介绍接触燃烧式气敏元件、金属氧化物半导体气敏元件；陶瓷湿敏传感器，高分子湿敏传感器等；对生物传感器主要介绍酶传感器、免疫传感器以及生物芯片等。 11.1　气体传感器 随着近代工业的进步，特别是石油、化工、煤炭、汽车等工业部门的迅速发展，使人类的生活以及社会活动发生了相应的变化。被人们所利用的和在生活、工业上排放出的气体种类、数量日益增多。这些气体中，许多是易燃、易爆(例如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化石油气等)或者对于人体有毒害的(例如一氧化碳、氟里昂、氨气等)。如果泄漏到空气中，会污染环境、影响生态平衡，甚至导致爆炸、火灾、中毒等灾害性事故。为保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故的发生，需要对各种有害、可燃性气体在环境中存在的状况进行有效的监控。 由于被测气体的种类繁多，性质不尽相同，不可能用一种传感器检测所有的气体，所以气敏传感器的种类繁多。气敏传感器按工作原理可分为半导体式气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器等不同类型。从材料、结构和应用范围来看，目前仍以半导体式气敏传感器居多，这类传感器具有结构简单、使用方便的优点。 半导体式气敏传感器是利用半导体气敏元件(主要是金属氧化物)同待测气体接触时，通过测量半导体的电导率等物理量的变化检测特定气体的成分或者浓度的。 半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式两类。电阻式气敏传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作成敏感元件，利用敏感材料接触气体时其电阻值的变化检测气体的成分或浓度的；非电阻式气敏传感器也是一种半导体器件，它们与被测气体接触后，如二极管的伏安特性或场效应管的阈值电压等将会发生变化。根据这些特性的变化测定气体的成分或浓度。半导体式气敏传感器具体分类如图11-1-1所示。 11.1.1 接触燃烧式气体传感器 (1)检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大(由于金属铂具有正的温度系数，当温度升高时，其电阻值相应增加，并且，作为温度—电阻率关系，在温度不太高时，具有良好的线性关系)。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10%)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)越多，铂丝的温度变化(增高)越大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可以检测空气中可燃性气体的浓度。 但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，目前实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。接触燃烧式气体敏感元件是由图11-1-1所示的桥式电路构成的。图中F1是检测元件;F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度变化、电源电压变化等因素所引起的偏差。接触燃烧式气体敏感元件工作时，要求在F1和F2上经常保持一定的电流通过(一般为100～200 mA)。以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差USC。 如果A、B两点之间的电位差是E，桥式电路BD臂上的电阻为R1，BC臂上的电阻为R2，检测元件F1的电阻为RF1，补偿元件F2的电阻为RF2。由于接触燃烧作用，检测元件的电阻变化为ΔRF1、ΔRF2与RF1、RF2、R1、R2相比非常小，所以，A、B点间的电位差USC可以由下式求得 USC= E0 [(RF1 + ΔRF) / (RF1+RF2+ ΔRF)- R1 /(R1+R2)] (11-1-1) 在这里，因为ΔRF很小，可以将它在分母中省去。并且，由于 ，则 USC= E0 { R1/ [ (R1+ R2)(RF1+RF2)]}(RF1 /RF2) ΔRF(11-1-2) 如果令