材料化学 chapter9-传感器材料.ppt

第九章 传感器 9.1 传感器的介绍 传感器：“sensor”或者“transducer”，广义上讲传感器是能够感受规定的被测量，并按一定规律转换成可输出信号的器件或装置的总称。通常被测量是非电物理量，输出信号一般为电量。 传感器通常是由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应的被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适于传播和测量的电信号的部分。 传感器的分类： 按输入量分：输入量即被测对象。 物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。 其中，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被例对象来选择所需要的传感器。 按输出量分： 传感器按输出量不同可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量。数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。 传感器的分类： 按基本效应分： 根据传感技术所蕴涵的基本效应，可以将传感器分为物理型、化学型、生物型。 物理型是指依靠传感器的敏感元件材料本身的物理特性变化来实现信号的变换，如水银温度计。 化学型是指依靠传感器的敏感元件材料本身的电化学反应来实现信号的变换，如气敏传感器、湿度传感器。 生物型是利用生物活性物质选择性的识别来实现测量，即依靠传感器的敏感元件材料本身的生物效应来实现信号的变换。待测物质经扩散作用进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息被相应的化学或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号。如本部传感器、免疫传感器。 传感器的基本特性： 传感器的输入和输出关系特性是传感器的基本特性，也是传感器的内部参数作用关系的外部特性表现，不同的传感器内部结构参数决定了它具有不同的外部特性。 传感器所测量的物理量基本上有两种形式：静态(稳态或准静态)和动态(周期变化或瞬态)。 不同的传感器具有不同的内部参数，因此它们的静态特性和动态特性就表现出不同的特点，对测量结果也产生不同的影响。一个高精度的传感器，必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保检测信号(或能量)的无失真转换．使检测结果尽量反映被测量的原始特征。 9.2 气敏传感器 气敏传感器：能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感元件，它将气体的种类及浓度的有关信号转换成电信号，根据这些电信号的强弱获得与检测气体在环境中存在情况的有关信息，从而可以进行检测、监控、报警。 其主要应用领域见书中表9-5 9.2.1 半导体气敏传感器 9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器： 氧化锡是典型的n-型半导体，是气敏传感器的最佳材料。其检测对象为甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等可燃气体和呼出气体中的酒精、NOx等。气敏检测灵敏度随气体的种类、工作温度、催化剂等的不同而差异很大。 可分为烧结型、薄膜型、厚膜等多种形式。 9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器 （1）烧结性SnO2气敏传感器 1.结构 它是有芯片、基座和金属防爆网罩三部分组成。 根据加热的方式不同，可分为直热式和旁热式。 直热式SnO2气敏元件： 其管芯结构的特点是在以SnO2为主要成分的烧结体中，埋两根螺旋形铂-铱电极，它兼作加热器功能，电阻值为2-5Ω。这种气敏元件结构简单，但因消耗功率大、稳定性差而应用较少 旁热式SnO2气敏元件： 其管芯的结构特点是在一根内径为0.8um、外径为1.2um的陶瓷管的两端设置一对金电极及铂-铱合金丝引出线，然后在陶瓷管的外壁涂覆以SnO2为基础材料的涂层，经烧后形成气体敏感层。并在陶瓷管内放一电阻丝作为加热器，电阻值一般为30一40Ω。这种元件热容量大，可靠性和寿命都较直热式高，大部分SnO2气敏元件采用了这种结构。 （1）烧结性SnO2气敏传感器 2.原理 氧化锡(SnO2)传感器的气敏材料氧化锡一加热，空气中的氧就会从氧化锡半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附着负电子，使表面电位增高，从而阻碍了导电电子的移动，所以，气敏传感器在空气中为恒定的电阻值。这时还原性气体与半导体表面吸附着的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值要发生变化。对于还原性气体，电阻值减小；对于氧化性气体，则电阻增大。这样，根据电阻值的变化就能检测出气体的浓度。 （1）烧结性SnO2气敏传感器 3.特性 烧结型SnO2气敏传感器是目前工艺上最成熟的气敏传感器，具有很高的热稳定性。这种传感器在半导体表面层产生可逆氧化还原反应，半导体内部的化学结构不变，