第10单元 化学量传感器.ppt

10.1 气体传感器 10.2 湿度传感器 10.3 离子传感器 习题 请你思考 试举例你身边的化学量传感器和工作原理。 化学传感器基片表面所涂的特异敏感材料虽对某类物质具有较好的选择性，但当检测对象成分较复杂时，干扰将会很严重，从结构和工艺方面考虑如何提高化学传感器复杂成分检测的能力。 10.1 气体传感器 在上世纪30年代，德国科学家H.H.Banmbach等人在合成Cu2O时，首次发现了它对O2有极强的吸附作用。 其后，D.J.M.Beran、H.F.ritzede等人发现了H2、CO等还原性气体与ZnO接触后，引起电导率增大。 六十年代初，随着煤气、液化石油气、天然气等产业的发展，同时也带来了因气体泄漏而引起的中毒、爆炸、火灾等安全问题。因此，才逐步引起人们的重视，并促进了对气体有敏感反应的气敏材料及传感器的研究。 气体传感器是化学传感器的一大门类，可按照工作原理、材料、制造工艺、检测对象和应用领域构成独立的分类标准。 10.1.1 半导体式气体传感器 在过去几十年中，半导体式气敏传感器的结构经历了不断的发展，从陶瓷烧结型、厚膜型发展到薄膜型、阵列式、硅基微结构型，其主流发展趋势是向小型化、集成化、多功能化、低功耗、高灵敏度、高选择性、高稳定性的方向发展。 1. 结构 从制作工艺来看，电阻式半导体气敏传感器结构可以分为三种类型：烧结型、厚膜型和薄膜型，它的外观结构可归纳为3种，如图所示。 按加热方式又可分为直热式和旁热式，如图所示。 2. 特性参数 通常描述半导体式传感器的主要特性参数如下： (1) 初始电阻值。初始电阻值是电阻式陶瓷气敏传感器的一个基本参数，它指的是气敏传感器在工作温度下的电阻值。 (2) 灵敏度。就物理意义而言，灵敏度是指器件对被检测气体的敏感程度，通常用气敏器件在空气中的电阻值与在一定浓度的检测气体中的电阻之比来表示灵敏度。 式中，R0为元件在空气中的电阻值；Rc为元件在被测气体浓度为c的气体中的电阻值。 (3) 加热功率。为器件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，气敏器件正常工作时加热所需要的功率称为加热功率。从节能的角度来讲，加热功率越小越好。 (4) 响应时间。响应时间反应气敏器件对被检测气体的响应速度。原则上把从器件接触一定浓度的被测气体开始到其阻值达到该浓度下稳定阻值的时间，定义为响应时间。有些情况下也把气敏器件从与检测气体接触开始，到其阻值达到稳定量的70%所需要的时间，定义为响应时间。 (5) 恢复时间。恢复时间反应气敏器件对被测气体的脱附速度。气敏器件从与检测气体脱离开始，到其阻值恢复到正常空气中阻值的70%所需要的时间，定义为恢复时间。 (6) 寿命。它指的是气敏传感器所能维持正常工作的时间。 除此以外，为了评价传感器的性能，人们还常提到器件的选择性、稳定性和漂移率的概念。选择性指的是传感器对某种特定气体的分辨能力；稳定性指的是传感器对一定浓度的气体的灵敏度的变化幅度；漂移率则反映了传感器初始电阻值随时间、环境温度和湿度变化的幅度。 3. 工作原理 传感器的测试方式以工作模式的不同而有所区别，大体上可分为直流测量法和交流测量法。 常用的直流测量基本电路图如图所示。 图中RL为负载电阻。当元件的电阻变化时，可通过负载电阻上电压的变化来换算。 式中，R0为元件在空气中的电阻，Rc为元件在被测气体浓度为c的气体中的电阻。V0为元件在空气中，负载电阻RL取一固定值时RL两端的电压输出值，Vc为元件在被测气体浓度为c的气体中RL两端的电压输出值。 图为典型半导体式气体传感器的响应恢复特性曲线，一般的，气体传感器的恢复时间要长于响应时间。 图为典型半导体式气体传感器的灵敏度特性曲线。一般的，半导体式气体传感器的电阻与气体浓度是非线性关系，近似于双对数线性关系。 4. 工艺 烧结型直热式气敏元件 烧结型旁热式气敏元件 厚膜型气敏元件 薄膜型气敏元件 半导体式气体传感器易受环境的温度和湿度的影响，其电阻与温湿度的关系如图所示。所以，在使用时，必须进行温湿度补偿，提高检测仪器的精度