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化学传感技术-慧知文库

 HYPERLINK  第10章 化学传感技术 原文地址:/view/7b84253ba565ec70ee7924742c17284a.html 第10章 ? 10.1 ? 10.2 ? 10.3 化学传感技术 概述 气敏化学传感技术及其应用 化学离子选择电极及其应 用 1 10.1 概述 化学传感器是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为 电信号进行检测的器件或装置。 对比于人的感觉器官,化学传感器大体对应于人的嗅 觉和味觉器官,并且能感受人的器官不能感受的某些物质, 如 H2、CO。化学传感器必须具有检测化学物质的形状或分 子结构选择性俘获的功能(接受器功能)和将俘获的化学 量有效转换为电信号的功能(转换器功能)。 2 10.1.1 化学传感器的工作原理 化学传感器的构成一般由识别元件、换能器以及相应 电路组成。 化学传感器原理示意图 当分子识别元件与被识别物发生相互作用时,其物理、 化学参数会发生变化,如离子、电子、热、质量和光等的 变化,再通过换能器将这些参数转变成与分析物特征有关 的可定性或定量处理的电信号或者光信号,然后经过放大、 储存,最后以适当的形式将信号显示出来。 3 10.1.2 化学传感技术的发展历史 化学传感器的产生可以追溯到1906年,Cremer首先发现了 玻璃薄膜的氢离子选择性应答现象,发明了第一支用于测定氢 离子浓度的玻璃pH电极,并在1930年进入实用化阶段。 在20世纪30年代后,出现了各种基于Nernst定律的电位法 离子选择性电极、气敏电极、场效应晶体管传感器,基于光化 学、体声波、表面声波等技术的光纤传感器、声波传感器等传 感器也相继问世。 20世纪60年代后,随着卤化银薄膜的离子选择应答现象、 氧化锌对可燃性气体的选择应答现象等新材料、新原理的不断 发现及应用,化学传感器进入了新的时代,压电晶体传感器、 声波传感器、光学传感器、酶传感器、免疫传感器等各种化学 4 传感器得到了初步应用和发展。 10.1.3 化学传感器的分类 化学传感器的结构形式有两种:一种是分离型传感器。如离子 传感器;另一种是组装一体化传感器。如半导体气体传感 器。 化学传感器的类型划分, 按传感方式,可分为接 触式与非接触式化学传 感器。 按检测对象,化学传感 器分为气体传感器、湿 度传感器、离子传感器 和生物传感器。 化学传感器的分类 5 10.2 气敏化学传感技术及其应用 引言 10.2.1 随着科学技术的发展,工业废气、汽车尾气、室内有毒 气体、可燃可爆气体以及其他的有害气体,也伴随着人民生 活水平的提高而直接威胁着人们的生命和财产安全,为了保 护人类赖以生存的自然环境,避免不幸事故的发生,防患于 未然,必须对各种有害气体或可燃性气体进行有效、准确地 检测与控制。 根据气体传感器的工作原理及制作材料,气体传感器又可 分为半导体式气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧 (亦称催化燃烧)式气体传感器、表面声波气体传感器、伏安特 性气敏传感器、浓差电池式气敏传感器、石英谐振式气体传感 器、光学式气体传感器等。 6 各种气体传感器可检测的气体种类 传感器种类 CO CO 2 H2S NH3 HCN HCl COCl2 Cl2 NOx SO2 O2 CH4 H2 H2O 半导体气体 传感器 固体电解质 ○ 传感器 接触燃烧式 △ 传感器 有机半导体 ○ 气体传感器 电化学式气 体传感器 高分子电解 △ 质气体传感 器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 注:○好; △不太好 10.2.2 气敏传感器的主要特性 1.稳定性 2.灵敏度 3.选择性 4.抗腐蚀性 另外,从经济性方面考虑,气敏传感器还应具备以下条件: (1)低成本; (2)长寿命; (3)易于标定和维护; (4)无需复杂的外围设备; (5)所产生的电信号不需要由复杂的电子电路来处理。 8 10.2.3 半导体气敏传感器 半导体气敏传感器是目前广泛应用的气体传感器之一。 按照敏感机理分类,半导体气敏传感器可分为电阻型半 导体式、非电阻型半导体式等类型 。 9 类型 检测原理 半导体气敏传感器的分 类 具有代表性的气敏元件及材料 检测气体 表面电阻控制型 电阻型 体电阻控制型 SnO2、ZnO、In2O3、WO3、V2O5、β-Cd2SnO4、 可燃性气体、 有机半导体、金属酞 如C2H2CO、 C-Cl2-F2、 NO2等 γ-Fe2O3、α-Fe2O3、CoC3、Co3O4、Ia1XSrXCoSrO3、TiO2、CoO、CoO-MgO、Nb2O5 等 Pd/CdS、Pd/TiO2、Pd/ZnO、Pt/TiO2、Au/TiO2、 Pd/MoS 以Pd、Pt、SnO2为栅极的

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