化学传感器的原理及应用.doc

化 学 传 感 器 的 原 理 及 应 用一 .化 学 传 感 器 定 义能将各种化学物质的特性（如气体，离子，电解质浓度，空气湿度等）等的变化定性的或定量的地转换成电信号的传感器称为化学传感器二 ·化 学 传 感 器 的 分 类化学传感器包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器 根据转换的电信号种类不同，可将电化学传感器分为电流型化学传感器、电位型化学传感器和电阻型化学传感器以下介绍气敏传感器，湿敏传感器，离子敏传感器（1）气敏传感器气敏传感器是一种基于声表面波器件波速和频率随外界环境的变化而发生漂移的原理制作而成的一种新型的传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11 、R12 ）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等1）气敏传感器的主要参数及特性 灵敏度：对气体的敏感程度 响应时间 ：对被测气体浓度的响应速度 选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力 稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力 温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性 湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性 电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性  时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性 2）气敏感器原理及分类气敏半导体材料的导电机理气敏半导体材料 SnO2是 N 型半导体，它的导电机理可以用吸附效应来解释。

图 1（a）为烧结体 N 型半导瓷的模型，它是多晶体，晶粒内部电阻较低，晶粒间界有较高的电阻，图中分别以空白部分和黑点示意表示导电通路的等效电路如图 1（b）所示，图中 Rn为颈部等效电阻，R b为晶粒的等效体电阻，R s晶粒的等效表面电阻其中 Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响，R s和 Rn则受吸附气体所控制，且 Rn＞R b，R s＞R b由于 Rs被 Rb所短路，因而图（b）可简化为图（c）只由颈部等效电阻 Rn串联而成的等效电路由此可见，半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变这类半导瓷气敏电阻工作时通常都需要加热，器件在加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散，失去其功能其间一部分分子蒸发，一部分分子就固定在吸附处此时，如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附，分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附；如果材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附O 2和 N Ox倾向于负离子吸附，称为氧化型气体；H 2、CO、碳氧化合物和酒类倾向于正离子吸附，称为还原型气体当氧化型气体吸附到 N 型半导体上时，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大，器件阻值变大。

还原型气体吸附到 N 型半导体上时，将使载流子增多，材料电阻率下降图 8-10 为气体吸附到 N 型半导体上时所产生的器件阻值变化情况，根据这一特性，就可以从阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度SnO2气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、乙醇、丙酮等都有较高的灵敏度；掺加 Pd（钯石棉，PdCl 2） 、Mo（钼粉、钼酸） 、Ga 等杂质的 SnO2元件可在常温下工作，对烟雾的灵敏度有明显的增加，可供制造常温工作的烟雾报警器图 1 气敏半导瓷吸附效应模型（a）烧结体模型；（b） （c ）等效电路电阻型气敏器件 目前使用较广泛的是电阻型气敏器件，按其结构又可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种，下面分别予以介绍1、烧结型气敏器件这类器件以半导瓷 SnO2为基体材料（其粒度在 1μm 以下） ，添加不同杂质，采用传统制陶方法烧结烧结时埋入加热线和测量电极，制成管芯，最后将加热丝和测量电极焊在管座上，加特制外壳构成器件烧结型器件的结构示于图2（a） 烧结型器件的一致性较差，机械强度也不高，但它价格便宜，工作寿命长，因此目前仍得到广泛应用2、薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件的结构如图 2（b）所示，采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。

实测表明 SnO2和 ZnO 薄膜的气敏特性最好，但这种薄膜为物理性附着系统，器件之间的性能差异仍较大3、厚膜型气敏器件它是用 SnO2或 ZnO 等材料与 3％～15％（重量）的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极的 Al2O3基片上，以400～800℃烧结 1 小时制成其结构如图 2（c）所示厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件 图 2 电阻型气敏器件结构（a）烧结型；（b）薄膜型；（c）厚膜型SnO2气敏器件易受环境温湿度的影响，图 3 给出了温湿度综合特性曲线由于环境温湿度对气敏器件的特性有影响，在使用时要加温湿度补偿，或选用温湿度性能好的气敏器件除了电阻型气敏器件以外，目前已发展了多种利用其他物理特性的气敏器件譬如用硅单晶制成的对氢气敏感的把栅 MOS 场效应晶体管，Pd－Si、MIS 二极管和 Pd－MOS 二极管等，这是气敏器件发展中值得注意的动向图 3 SnO2气敏器件温湿度特性非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件是利用 MOS 二极管的电容－电压特性（C－V 特性）的变化，和 MOS场效应晶体管（MOSFET）的阈值电压的变化等物理特性做成的半导体气敏器件。

这类器件可应用目前成熟的集成电路工艺来制造，其重复性和稳定性大为改善，性能价格比得以提高，并使器件的集成化和智能化成为可能1、MOS 二极管气敏器件MOS 二极管的结构和等效电路示于图 4在 P 型半导体硅芯片上，采用热氧化工艺生长一层厚度为 50～100nm 左右的 SiO2层，然后再在其上蒸发一层金属薄膜，作为栅电极SiO2层电容 Cax是固定不变的，Si－SiO 2界面的电容 Cs 是外加电压的函数所以总电容 C是栅偏压的函数，其函数关系称为该 MOS 管的 C－V 特性由于 Pd 在吸附 H2以后，会使它的功函数降低，这将引起 MOS 管的 C－V 特性向负偏压方向平移，如图 5 所示，据此可测定H2的浓度图 4 MOS 结构和等效电路图 5 MOS 结构的 C-V 特性 a－吸附 H2前；b－吸附 H2后2、Pd－MOSFET 气敏器件关于 MOSFET 的结构和主要特性已作了介绍 Pd－MOSFET 与普通 MOS－FET 的主要区别在于用钯 Pd 薄膜取代铝 Al 膜作为栅电极因为 Pd 对 H2的吸附能力极强，而 H2在 Pd 上的吸附将导致 Pd 的功函数降低如前所述，阈电压 VT的大小与金属和半导体之间的功函数差有关。

Pd－MOSFET 气敏器件正是利用 H2在 Pd 栅上吸附后引起阈电压 VT下降这一特性来检测 H2浓度的3）气敏传感器的应用其广泛应用于煤矿、农业、化工、建筑、环保、医疗、家电等领域目前气敏传感器的主要产品包括可燃性气敏传感器、CO、H2S、NH3、SO2、C12、NO、NO2 等毒性气敏传感器、氧传感器、溶氧传感器、CO2 传感器等例如用于家庭或工业可燃性气体的检测、检漏报警器电路中所采用 MQ-5、MQ-6 型气敏传感器就属于可燃性气敏传感器MQ-5 半导体气体传感器 特点: 对液化气,天然气城市煤气有较好的灵敏度 对乙醇,烟雾几乎不响应 高灵敏度/快速响应恢复 优异的稳定性/长寿命 简单的驱动电路 应用: 适用于家庭或工业上对液化气,天然气,煤气的监测装置MQ-6 半导体气体传感器 特点: 对液化气,丁烷 ,丙烷有较高的灵敏度 抵抗乙醇蒸气、烟雾的干扰 高灵敏度/快速响应恢复 优异的稳定性/长寿命 简单的驱动电路MQ-6 适用于家庭或工业上对液化石油气（LPG）,丁烷,丙烷,LNG（液化天然气）的检测装置 2） 湿敏传感器湿 敏 传 感 器 是 一 种 能 将 被 测 环 境 湿 度 转 换 成 电 信 号 的 装 置 。

主 要 由 两 个部 分 组 成 ： 湿 敏 元 件 和 转 换 电 路 ， 除 此 之 外 还 包 括 一 些 辅 助 元 件 ， 如 辅 助 电源 、 温 度 补 偿 、 输 出 显 示 设 备 等1） 湿 敏 传 感 器 特 性 要 求 理想的湿敏传感器的特性要求是：适合于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快，湿滞回差小，重现性好；灵敏度高，线形好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温特性等2） 湿 敏 传 感 器 的 构 成 及 分 类一种湿敏传感器，由湿敏传感元件、交流电源、放大器、控制器等部件所组成湿 敏 传 感 器 分 类 及 原 理湿 敏 传 感 器 分 为 电 阻 式 、电容式等，电阻式湿 敏 传 感 器 包括电解质式湿敏 传 感 器 、陶瓷式湿 敏 传 感 器 、高分子式湿 敏 传 感 器 电容式湿 敏 传 感 器 包括 陶瓷式湿 敏 传 感 器 、高分子式湿 敏 传 感 器 3)湿 敏 传 感 器 原 理电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。

它由引线、基片、感湿层与电极组成氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li 和 Cl 均以正负离子的形式存在，而 Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比 当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量4）湿敏传感器的应用湿敏传感器广泛用于工业制造、医疗卫生、林业和畜牧业等各个领域如人工呼吸设备、干燥机和暖房种植等陶瓷湿敏传感器可应用于空调、微波炉、视频录像机等家用电器3）离子敏 传 感 器离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管它是由离子选择性电极(ISE)与金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)组合而成的，简称 ISFETISFET 是用来测量溶液(或体液)中离子浓度的微型固态电化学敏感器件1）离子敏 传 感 器 的结构与工作原理为了介绍离子敏感器件的工作原理，必须对场效应晶体管的结构和特性有个基本了解1、MOFET 的结构和特性用半导体工艺制作的金属－氧化物－半导体场效应晶体管的典型结构如图6 所示。

它的衬底材料为 P 型硅用扩散法做两个 N＋ 区，分别称为源（S）和漏（D） ，在漏源之间的 P 型硅表面，生长一薄层 SiO2，在 SiO2上再蒸发一层金属 Al，称为栅电极，用 G 所示在栅极不加偏压时，栅氧化层下面的硅是 P 型，而源漏是 N 型，故源漏之间不导通 图 6 MOSFET当栅源之间加正向偏压 VGS，且有 VGS＞V T（阈电压）时，则栅氧化层下面的硅就反型，从 P 型变为 N 型这个 N 型区就将源区和漏区连接起来，起导电通道的作用，称为沟道，此时 MOSFET 就进人工作状态这种类型称为 N 沟道增强型 MOFET我们的讨论以此为例在 MOSFET 的栅电极加上大于 VT的正偏压后，源漏之间加电压 VDS，则源和漏之间就有电流流通，用 IDS表示I DS的大小随 VGS和 VDS的大小而变化，其变化规律即 MOS－FET 的电流电压特性，图 7 所示是其输出特性和转移特性曲线所谓转移特性曲线是指漏源电压 VDS一定时，漏源电流 IDS与栅源。