傳感器第11章

1、第11章化學(xué)傳感器 第11章化學(xué)傳感器 11.1氣敏傳感器氣敏傳感器 11.2濕敏傳感器濕敏傳感器 11.3離子敏傳感器離子敏傳感器 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第11章化學(xué)傳感器 11.1氣氣 敏敏 傳傳 感感 器器11.1.1電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件 1. 表面電阻控制型氣敏器件表面電阻控制型氣敏器件表面電阻控制型氣敏器件是利用半導(dǎo)體表面吸附氣體時(shí)，會(huì)引起元件電阻變化的特性而制成的一種傳感器，多以可燃性氣體為檢測(cè)對(duì)象，吸附能力很強(qiáng)，也可以檢測(cè)非可燃性氣體。該類(lèi)傳感器具有氣體檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度比一般傳感器快、實(shí)用價(jià)值大等優(yōu)點(diǎn)。第11章化學(xué)傳感器 表面電阻控制型氣敏器件主要利用表面電導(dǎo)率

2、變化的信息來(lái)檢驗(yàn)氣體，因此應(yīng)選取表面電導(dǎo)率大、體內(nèi)電導(dǎo)率小的半導(dǎo)體材料。表面電阻控制型氣敏器件的結(jié)構(gòu)主要有燒結(jié)型、薄膜型(包括多層薄膜型)和利用燒結(jié)體材料做成的厚膜型(包括混合厚膜型)等。第11章化學(xué)傳感器 1) 燒結(jié)型氣敏器件燒結(jié)型SnO2氣敏器件是目前工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的氣敏元件。這種器件以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基本材料，添加不同的添加劑，均勻混合，以傳統(tǒng)制陶工藝燒結(jié)而成。燒結(jié)時(shí)在材料中埋入加熱電極和測(cè)量電極，制成管芯，然后將加熱電阻絲和測(cè)量電極引線焊在管座上，并罩于不銹鋼網(wǎng)中制成器件。這種器件工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，主要用于檢測(cè)可燃性氣體，如H2、CO、甲烷(天然氣的主要成分)、丁烷(液化

3、氣的主要成分)等，敏感器件的工作溫度約300。按照加熱方式，可分為直熱式和旁熱式兩種類(lèi)型。第11章化學(xué)傳感器 直熱式傳感器是將加熱元件與測(cè)量電極一同燒結(jié)在氧化物材料及催化添加劑的混合體內(nèi)，加熱元件直接對(duì)氧化物敏感元件加熱，如TGS、QN、QM等系列產(chǎn)品。直熱式氣敏元件由芯片(包括敏感體和加熱器)、基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。在SnO2芯片燒結(jié)體中埋設(shè)兩根鉑-銥合金絲作為測(cè)量電極和加熱電阻絲(阻值約為25 )，工作時(shí)加熱電阻絲通電加熱，測(cè)量電極測(cè)量電阻值的變化，其結(jié)構(gòu)與元件符號(hào)分別如圖11.1(a)、(b)所示。第11章化學(xué)傳感器 圖11.1直熱式傳感器元件的結(jié)構(gòu)與符號(hào)第11章化學(xué)傳感器 旁熱

4、式傳感器采用陶瓷管作為基底，將一個(gè)高阻加熱絲裝入陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量電極，在金電極外涂SnO2材料，測(cè)量電極、氧化物材料及催化添加劑燒結(jié)在陶瓷管的外壁，加熱元件經(jīng)陶瓷管壁對(duì)氧化物敏感元件均勻加熱，如QM-N5、TGS812、TGS813等產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)與元件符號(hào)分別如圖11.2(a)、(b)所示。第11章化學(xué)傳感器 圖11.2旁熱式傳感器元件的結(jié)構(gòu)與符號(hào)第11章化學(xué)傳感器 2) 薄膜型氣敏器件薄膜型氣敏器件是以石英或陶瓷為絕緣基片，在基片的一面印上加熱元件(如RuO2厚膜)，在基片的另一面上蒸發(fā)或?yàn)R射出一層氧化物半導(dǎo)體薄膜(如SnO2)，并引出測(cè)量電極。由于薄膜型氣敏器件的表面積很大

5、，表面電導(dǎo)率的變化對(duì)整個(gè)器件電導(dǎo)率的變化影響大，因此靈敏度較高，且具有一致性好、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)，成本低，是一種很有發(fā)展前景的氣敏元件。第11章化學(xué)傳感器 3) 厚膜型氣敏器件厚膜型氣敏器件是將SnO2、ZnO等氧化物材料與硅凝膠混合，并加入適量的催化劑制成敏感材料膏漿，然后采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將敏感材料膏漿用不銹鋼網(wǎng)印刷到氧化鋁基板上，基板上事先安裝有鉑電極和加熱元件，待自然干燥后在400800下燒結(jié)1小時(shí)制成。而后在上面印刷一對(duì)距離為0.5 mm的厚膜導(dǎo)體作為電極，在基板另一面印刷上電阻作為加熱器。厚膜型氣敏元件的機(jī)械強(qiáng)度高，重復(fù)性好，適合于大批量生產(chǎn)，而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，

6、成本低。第11章化學(xué)傳感器 SnO2氣敏器件具有如下基本特性：(1) 靈敏度特性：燒結(jié)型SnO2氣敏器件，對(duì)多種可燃性氣體都有敏感性，但其靈敏度有所不同。在低濃度氣體中靈敏度高，器件電阻變化明顯, 而在高濃度氣體中電阻趨于穩(wěn)定值, 所以它非常適宜檢測(cè)低濃度微量氣體，例如檢測(cè)可燃?xì)怏w的泄漏、定限報(bào)警等；(2) 溫濕度特性：SnO2氣敏器件易受環(huán)境溫濕度的影響，在使用氣敏元件時(shí)，必須在電路中進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償，提高儀器設(shè)備的精度和可靠性；第11章化學(xué)傳感器 (3) 初期恢復(fù)特性：SnO2氣敏器件在短期不通電的狀態(tài)下存放后再通電，元件并不能立即投入正常工作，其電阻值將有一段急劇變化的過(guò)程，然后逐漸趨于穩(wěn)

7、定值，其變化曲線如圖11.3所示。通電開(kāi)始，氣敏元件的電阻值迅速下降，然后向正常的阻值變化，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。吸附氣體后，其電阻值隨吸附氣體的種類(lèi)而發(fā)生變化，吸附還原性氣體時(shí)電阻值下降，而吸附氧化性氣體時(shí)電阻值升高，響應(yīng)時(shí)間在1 min之內(nèi)；第11章化學(xué)傳感器 圖11.3SnO2氣敏電阻與吸附氣體的關(guān)系曲線第11章化學(xué)傳感器 (4) 初期穩(wěn)定特性：氣敏元件長(zhǎng)時(shí)間不通電存放，無(wú)論在清凈空氣中，還是在氣體中，都將出現(xiàn)高阻值現(xiàn)象，即元件電阻值比初始穩(wěn)定值高，一般高20%左右。通電開(kāi)始一定時(shí)間后，元件電阻才恢復(fù)到初始電阻值并穩(wěn)定下來(lái)。一般把通電開(kāi)始到元件電阻達(dá)到初始穩(wěn)定值的時(shí)間稱為初始穩(wěn)定時(shí)間，用它表

8、示氣敏元件的初始穩(wěn)定性。第11章化學(xué)傳感器 2. 體電阻控制型氣敏器件體電阻控制型氣敏器件體電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件與被測(cè)氣體接觸時(shí)，引起器件體電阻改變的原因較多。如熱敏型氣敏器件在高溫下工作，當(dāng)表面吸附可燃性氣體時(shí)，被吸附氣體燃燒使器件的溫度進(jìn)一步升高，使半導(dǎo)體的體電阻發(fā)生變化。另外，由于添加物和吸附氣體分子在半導(dǎo)體能帶中形成新能級(jí)的同時(shí)，會(huì)在母體中生成晶格缺陷，也會(huì)引起半導(dǎo)體的體電阻發(fā)生變化。很多化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)而且容易還原的氧化物在比較低的溫度下與氣體接觸時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得體電阻發(fā)生變化。目前常用-Fe2O3的氣敏元件就是利用這一原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖11.4所示。 第11章化學(xué)傳感器

9、 圖11.4-Fe2O3氣敏元件結(jié)構(gòu)第11章化學(xué)傳感器 11.1.2非電阻型氣敏器件非電阻型氣敏器件1. 肖特基二極管氣敏器件肖特基二極管氣敏器件當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢(shì)壘時(shí)構(gòu)成金屬半導(dǎo)體二極管。在這種金屬半導(dǎo)體二極管中施加正向偏壓時(shí)，從半導(dǎo)體流向金屬的電子流將增加；如果施加負(fù)向偏壓時(shí)，從金屬流向半導(dǎo)體的電子流幾乎沒(méi)有變化，這種現(xiàn)象稱為二極管的整流作用。當(dāng)金屬和半導(dǎo)體界面吸附某種氣體時(shí)，氣體對(duì)半導(dǎo)體的能帶或者金屬的功函數(shù)都將產(chǎn)生影響，其整流特性發(fā)生變化，由此可以制作氣敏器件。第11章化學(xué)傳感器 在TiO2和ZO2單晶或ZO2燒結(jié)體上，真空蒸鍍一層20 nm左右的Pd形成肖特基二極管時(shí)，其

10、整流特性隨還原氣體的濃度發(fā)生變化。由于還原性氣體的吸附，Pd的功函數(shù)會(huì)明顯減小，進(jìn)而導(dǎo)致肖特基接觸勢(shì)壘下降，使得正向電流增加。這種器件對(duì)H2很敏感，室溫下能對(duì)幾個(gè)ppm(百萬(wàn)分之一)以下的H2濃度進(jìn)行選擇性檢測(cè)。圖11.5所示為Pd-TiO2肖特基氣敏二極管伏安特性與H2濃度的關(guān)系曲線。第11章化學(xué)傳感器 圖11.5肖特基氣敏二極管伏安特性與H2濃度的關(guān)系第11章化學(xué)傳感器 2. MOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件MOS二極管氣敏器件是利用MOS二極管的電容-電壓關(guān)系(C-V特性)制成的敏感器件，其結(jié)構(gòu)、等效電路和C-V特性如圖11.6所示。 圖11.6Pd-MOS二極管氣敏器件第11章化學(xué)傳

11、感器 3. Pd-MOSFET二極管氣敏器件二極管氣敏器件Pd-MOSFET二極管氣敏器件是用Pd薄膜(厚度為10 nm)作柵電極，而普通MOSFET 是用Al膜作柵電極，這是兩者的主要區(qū)別。另外，Pd-MOSFET的SiO2絕緣層厚度也比普通的MOSFET薄。Pd-MOSFET氣敏器件的結(jié)構(gòu)和ID-UDS曲線如圖11.7所示。 第11章化學(xué)傳感器 圖11.7Pd-MOSFET器件第11章化學(xué)傳感器 MOSFET的漏極電流ID由柵極電壓UG控制，若將柵極和漏極短路，并在源極與漏極之間加電壓UDS，則漏電流ID為ID=(UDSUT)2 (11.1)式中：常數(shù)，只與Pd-MOSFET的結(jié)構(gòu)有關(guān)；U

12、T閾值電壓，產(chǎn)生漏電流ID的最小偏壓。第11章化學(xué)傳感器 Pd-MOSFET二極管氣敏器件具有如下特性：(1) 靈敏度：這種器件具有很高的靈敏度；(2) 選擇性：大多數(shù)氣敏器件的選擇性都不理想。而Pd-MOSFET的Pd薄膜只允許氫原子通過(guò)并到達(dá)Pd-MOSFET界面，所以它只對(duì)氫氣敏感，具有獨(dú)特的高選擇性；(3) 穩(wěn)定性：由于閾值電壓UT隨時(shí)間緩慢漂移，所以Pd-MOSFET的穩(wěn)定性較差，限制了該器件在定量檢測(cè)上的應(yīng)用。自1975年P(guān)d-MOSFET在國(guó)外研制成功以來(lái)，在工藝和結(jié)構(gòu)方面做了很多優(yōu)化和改進(jìn)，如在Pd-MOSFET電容的SiO2上加一層Al2O3，就可以消除漂移現(xiàn)象；第11章化學(xué)

13、傳感器 (4) 響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間都是由氣體與柵極在界面上的反應(yīng)過(guò)程所決定，隨器件的工作溫度上升而迅速減小。因此，Pd-MOSFET工作溫度的選擇非常關(guān)鍵，若要求響應(yīng)時(shí)間為幾秒或者更短，必須選擇100150的工作溫度。除工作溫度外，H2濃度對(duì)響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間也有影響，如器件工作溫度在150時(shí)，當(dāng)H2濃度為0.01%時(shí)，響應(yīng)時(shí)間小于10 s，恢復(fù)時(shí)間小于5 s。當(dāng)H2濃度為4%時(shí)，響應(yīng)時(shí)間小于5 s，恢復(fù)時(shí)間小于15 s。第11章化學(xué)傳感器 11.1.3氣敏傳感器的應(yīng)用氣敏傳感器的應(yīng)用1. 有害氣體報(bào)警器有害氣體報(bào)警器該類(lèi)儀器在泄漏氣體達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。圖11.8所示為一種簡(jiǎn)

14、單的家用可燃?xì)怏w報(bào)警器電路，氣敏傳感器TGS109與蜂鳴器BZ構(gòu)成簡(jiǎn)單的檢測(cè)回路。第11章化學(xué)傳感器 圖11.8家用可燃?xì)怏w報(bào)警器電路第11章化學(xué)傳感器 圖11.9所示為小型煤礦瓦斯報(bào)警器電路，氣敏傳感器QM-N5與電位器RP構(gòu)成檢測(cè)回路，555集成器件與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器。當(dāng)無(wú)瓦斯氣體時(shí)，氣敏傳感器電阻值較大，調(diào)節(jié)電位器RP使輸出電壓小于0.7 V，555集成器件的4腳被嵌位，振蕩器不工作。當(dāng)周?chē)諝庥型咚箽怏w時(shí)，氣敏傳感器電阻值降低，電位器輸出電壓增加，555集成器件的4腳變?yōu)楦唠娖?，振蕩器起振，揚(yáng)聲器報(bào)警。第11章化學(xué)傳感器 圖11.9瓦斯報(bào)警器電路第11章化學(xué)傳感器 2. 檢漏儀檢

15、漏儀檢漏儀是將氣敏元件作為檢測(cè)電路中的氣-電轉(zhuǎn)換元件，并配合相應(yīng)的電路、指示儀表或聲光顯示部分組成的氣體探測(cè)儀器，這類(lèi)儀器要求靈敏度較高。例如氫氣檢漏儀內(nèi)置的采樣泵能夠盡可能多地采集泄漏氣體，并送入儀器進(jìn)行氣-電轉(zhuǎn)換，當(dāng)采樣氣體中的氫氣含量超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，儀表會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示相關(guān)信息。第11章化學(xué)傳感器 3. 自動(dòng)控制和測(cè)量自動(dòng)控制和測(cè)量利用氣敏元件的氣敏特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的自動(dòng)控制，如電子灶烹調(diào)自動(dòng)控制、換氣扇自動(dòng)換氣控制等。氣敏元件對(duì)不同氣體具有不同的電阻-氣體濃度關(guān)系曲線，利用這一特性來(lái)測(cè)量及確定氣體的種類(lèi)和濃度，但對(duì)氣敏元件的性能要求較高，同時(shí)要配以高精度的測(cè)量電路。第11章

16、化學(xué)傳感器 4. 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)(1) 加熱電壓：半導(dǎo)體氣敏傳感器采用加熱器對(duì)氣敏元件進(jìn)行加熱，加熱器的加熱溫度對(duì)氣敏傳感器的特性影響很大, 因此加熱器的加熱電壓必須恒定。例如, 對(duì)于AF30L/38L半導(dǎo)體氣敏傳感器, 加熱器的理想電壓為5 V，一般在50.2 V的范圍內(nèi)使用。另外，氣敏元件的消耗功率不能超過(guò)額定值，否則會(huì)損壞氣敏元件，如AF30L/38L氣敏傳感器的消耗功率不能超過(guò)15 mW。氣敏傳感器輸出電壓獲取方式如圖11.10所示。第11章化學(xué)傳感器 圖11.10溫度補(bǔ)償電路第11章化學(xué)傳感器 (2) 溫度補(bǔ)償：半導(dǎo)體氣敏傳感器在氣體中的電阻值與溫度及濕度有關(guān)。溫度和濕度較低時(shí)，電

17、阻值較大；溫度和濕度高時(shí)，電阻值較小。為此，氣體濃度即使相同，電阻值也會(huì)不同，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 第11章化學(xué)傳感器 11.2濕濕 敏敏 傳傳 感感 器器11.2.1絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度所謂濕度，就是空氣中所含水蒸氣的量?？諝饪煞譃楦稍锟諝馀c潮濕空氣兩類(lèi)。理想狀態(tài)的干燥空氣只含有大約78%的氮?dú)狻?1%的氧氣和1%的其它氣體成分，而不含水蒸氣。如果把潮濕空氣看成理想氣體與水蒸氣的混合氣體，那么它符合分壓原理，即潮濕空氣的全壓等于該混合物中各種氣體分壓之和。因此設(shè)法測(cè)得空氣中水蒸氣的分壓，也等于測(cè)出了空氣的濕度。濕度常用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度來(lái)表示。第11章化學(xué)傳感器 絕對(duì)濕度H表示

18、單位體積內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量(單位為g/m3)，又稱水氣濃度或水氣密度，也可用水的蒸氣壓表示。其定義為式中：mV待測(cè)空氣中的水蒸氣質(zhì)量；V待測(cè)空氣的總體積。VmHV(11.2) 第11章化學(xué)傳感器 在實(shí)際生活中，如人體的感覺(jué)、植物的枯萎、水分蒸發(fā)的快慢等，并不用絕對(duì)濕度表示，而是用相對(duì)濕度Hm來(lái)表示。待測(cè)空氣中水蒸氣分壓PV與同溫度下飽和水蒸氣氣壓PW的比值，或者絕對(duì)濕度與同溫度時(shí)飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度的比值稱為相對(duì)濕度, 常用百分?jǐn)?shù)表示，記作“%RH”。相對(duì)濕度是無(wú)量綱的量，其定義為(11.3) RH%100)(TWVmPPH第11章化學(xué)傳感器 11.2.2氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻氯化鋰(Li

19、Cl)是一種典型的無(wú)機(jī)電解質(zhì)濕敏元件, 它是利用電阻值隨環(huán)境相對(duì)濕度變化的機(jī)理而制成的測(cè)濕元件。其感濕原理為：不揮發(fā)性鹽(如氯化鋰)溶解于水，結(jié)果降低了水的蒸氣壓, 同時(shí)使得鹽的濃度降低，電阻率增加。利用這個(gè)特性, 在條狀絕緣基板(如無(wú)堿玻璃)的兩面, 用化學(xué)沉積或真空蒸鍍法制作一對(duì)金屬電極，再浸漬按一定比例配制的氯化鋰-聚乙烯醇混合溶液，表面再加上多孔性保護(hù)膜即可形成一層感濕膜，感濕膜可隨空氣中濕度的變化而吸濕或脫濕。感濕膜的電阻隨空氣相對(duì)濕度變化而變化, 當(dāng)空氣中濕度增加時(shí), 感濕膜中鹽的濃度降低，氯化鋰濕敏電阻隨濕度上升而電阻值減小。通過(guò)對(duì)感濕膜的電阻進(jìn)行測(cè)量, 即可獲知環(huán)境的濕度大小。

20、氯化鋰濕敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖11.11(a)所示。第11章化學(xué)傳感器 圖11.11氯化鋰濕敏電阻第11章化學(xué)傳感器 1. 登莫式登莫式登莫式濕敏傳感器是在聚苯乙烯的圓管上用兩條互相平行的鈀引線作為電極，以聚乙烯醇(PVA)作為膠合劑，在聚苯乙烯管上涂一層經(jīng)過(guò)適當(dāng)堿化處理的聚乙烯醋酸鹽和氯化鋰水溶液的混合液，形成均勻薄膜。若只用單個(gè)傳感器件，其檢測(cè)范圍狹窄。因此，將含量不同的幾種傳感器組合在一起使用，使其測(cè)量范圍達(dá)到20%90%的相對(duì)濕度。第11章化學(xué)傳感器 2. 浸漬式浸漬式浸漬式濕敏傳感器是在基片材料直接浸漬氯化鋰溶液構(gòu)成的。這種傳感器的浸漬基片材料為天然樹(shù)皮，在基片上浸漬氯化鋰溶液。與登莫式相

21、比，避免了在高濕度下產(chǎn)生的濕敏膜誤差，由于基片材料的表面積較大，所以這種傳感器具有小型化的特點(diǎn)，適應(yīng)于微小空間的濕度檢測(cè)。與登莫式相同，設(shè)法將氯化鋰含量不同(特性不同)的幾種傳感器組合在一起使用，可使其測(cè)量范圍達(dá)到較大的相對(duì)濕度。第11章化學(xué)傳感器 3. 光硬化樹(shù)脂電解質(zhì)濕敏元件光硬化樹(shù)脂電解質(zhì)濕敏元件登莫元件中的膠合劑聚乙烯醇(PVA)不耐高溫高濕，這限制了元件的使用范圍，若采用光硬化樹(shù)脂代替PVA，而將樹(shù)脂、氯化鋰、感光劑、助膜劑和水調(diào)配成膠體溶液，涂于塑料基片上，基片上蒸鍍有電極。待干燥后置于紫外線下曝光并熱處理，可制成耐高溫高濕的感濕膜，它可在80的環(huán)境下使用，耐水性好。第11章化學(xué)傳

22、感器 11.2.3半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻1. MgCr2O4-TiO2(鉻酸鎂鉻酸鎂-二氧化鈦二氧化鈦)濕敏陶瓷濕敏陶瓷1) 工作原理燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷為多孔結(jié)構(gòu)的多晶體，系金屬氧化物材料。半導(dǎo)體陶瓷形成過(guò)程伴隨著半導(dǎo)體化過(guò)程，半導(dǎo)體化過(guò)程的結(jié)果會(huì)使晶粒中產(chǎn)生大量的載流子(電子或空穴)。這樣，一方面使晶粒內(nèi)部的電阻率降低，另一方面又在晶粒間形成界面勢(shì)壘，致使晶粒界面處的載流子耗盡而出現(xiàn)耗盡層。因此晶粒界面的電阻率將遠(yuǎn)大于晶粒體內(nèi)的電阻率，而成為半導(dǎo)體陶瓷材料在通電狀態(tài)下電阻的主體。由于水分子在半導(dǎo)體陶瓷表面和晶粒界面間的吸收，會(huì)引起表面和晶粒界面處電阻率發(fā)生變化，因此燒結(jié)型半導(dǎo)體陶

23、瓷具有濕敏特性。第11章化學(xué)傳感器 大多數(shù)半導(dǎo)體陶瓷具有負(fù)感濕特性，其電阻隨環(huán)境濕度增加而減小，這是由于水分子在陶瓷晶粒間的吸附，會(huì)離解出大量導(dǎo)電離子，擔(dān)負(fù)電荷的運(yùn)輸，載流子的增加使得電阻減小。在完全脫水的金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷的晶粒表面，裸露出正金屬離子和負(fù)氧離子。水分子電離后，分解成帶正電的氫離子和帶負(fù)電的氫氧根離子。因此在陶瓷晶粒的表面上就形成負(fù)氫氧根離子和正金屬離子以及氫離子與氧離子之間的第一層吸附(化學(xué)吸附)。在形成的化學(xué)吸附層中，導(dǎo)電的載流子主要是由吸附的水分子和由氫氧根離解出來(lái)的正氫離子所構(gòu)成的水合氫離子H3O+。水分子完成第一層化學(xué)吸附之后，會(huì)形成第二、第三層的物理吸附，同時(shí)使導(dǎo)

24、電載流子H3O+的濃度進(jìn)一步增大。第11章化學(xué)傳感器 這些H3O+在吸附水層中的導(dǎo)電行為，導(dǎo)致金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷的總阻值下降，所以具有感濕特性。金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料的結(jié)構(gòu)不甚致密，晶粒間有一定的空隙，呈多孔毛細(xì)管狀。水分子可以通過(guò)陶瓷材料的細(xì)孔被晶粒間的界面和各晶粒表面吸附，并在晶粒間的界面處凝聚。材料孔徑越小，水分子越容易凝聚，凝聚易發(fā)生在各晶粒間界面的頸部部位。晶粒間界面的頸部接觸電阻是濕敏陶瓷整體電阻的主要部分，水分子在該部位處凝聚，吸附的水分子可以離解出大量的導(dǎo)電離子，這些離子在水吸附層具有輸運(yùn)電荷的能力，必將引起晶粒間界面處接觸電阻明顯下降。環(huán)境濕度增加時(shí)，水分子在整個(gè)晶體表面

25、上由于物理吸附而形成多層水分子層，從而在測(cè)量電極之間會(huì)存在一個(gè)均勻的電離質(zhì)層，使材料的電阻率明顯降低。第11章化學(xué)傳感器 2) 結(jié)構(gòu)MgCr2O4-TiO2半導(dǎo)體濕敏元件由P型半導(dǎo)體MgCr2O4和N型半導(dǎo)體TiO2兩種材料燒結(jié)而成，它是一種機(jī)械混合的復(fù)合型半導(dǎo)體陶瓷。燒制成的陶瓷呈多孔性結(jié)構(gòu)，有大量的粒間氣孔，粒間氣孔是一種相當(dāng)于毛細(xì)管的氣孔，很容易吸附水汽，而且抗熱沖擊。這種陶瓷的電阻率和溫度特性與原材料的配方有著密切關(guān)系，將P型半導(dǎo)體MgCr2O4和N型半導(dǎo)體TiO2兩種導(dǎo)電類(lèi)型相反的半導(dǎo)體材料按適當(dāng)?shù)谋壤旌蠠?，就可得到電阻率較低、電阻率溫度系數(shù)很小的復(fù)合型半導(dǎo)體濕敏材料。MgCr2

26、O4-TiO2半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件的結(jié)構(gòu)如圖11.12所示。 第11章化學(xué)傳感器 圖11.12MgCr2O4-TiO2濕敏元件結(jié)構(gòu)第11章化學(xué)傳感器 3) 性能圖11.13(a)為MgCr2O4-TiO2半導(dǎo)體濕度元件的感濕特性曲線，器件阻值與環(huán)境相對(duì)濕度Hm之間有較理想的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即R=R0 exp(AHm) (11.4)式中：R0濕敏元件的初始電阻值；A與材料有關(guān)的常數(shù)。環(huán)境濕度在1100%RH的范圍內(nèi)，器件電阻值的變化為104108。在相同濕度情況下，隨著溫度的提高，器件電阻值降低。圖11.13(b)是這種傳感器的響應(yīng)特性曲線。第11章化學(xué)傳感器 圖11.13MgCr2O4-TiO2濕

27、敏元件的特性曲線第11章化學(xué)傳感器 2. ZnO-Cr2O3(氧化鋅氧化鋅-氧化鉻氧化鉻)濕敏陶瓷濕敏陶瓷ZnO-Cr2O3濕敏傳感器是以ZnO為主要成分的陶瓷材料，其化學(xué)穩(wěn)定性好。該傳感器不必加熱清洗，即可連續(xù)測(cè)量濕度，且性能穩(wěn)定、功率小(一般在0.5 mW以下)、成本低，適合大批量生產(chǎn)。傳感器采用直徑為8 mm、厚為0.2 mm的圓片狀多孔陶瓷元件，元件兩表面燒結(jié)有多孔材料電極，電極上焊有引出線，整個(gè)元件封裝在塑料外殼中，用樹(shù)脂固定。第11章化學(xué)傳感器 11.2.4濕敏傳感器的應(yīng)用濕敏傳感器的應(yīng)用濕敏傳感器廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合的濕度監(jiān)測(cè)、控制與報(bào)警，在軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、建筑以及家

28、用電器等方面都有很好的應(yīng)用前景。1. 微量蒸氣檢漏儀微量蒸氣檢漏儀圖11.14所示為微量水蒸氣檢漏儀的構(gòu)成框圖。 第11章化學(xué)傳感器 圖11.14微量蒸氣檢漏儀構(gòu)成框圖第11章化學(xué)傳感器 2. 濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)圖11.15是濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)框圖。 圖11.15濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)框圖第11章化學(xué)傳感器 3. 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)(1) 電源選擇：濕敏電阻必須工作于交流回路中，若用直流電源供電，會(huì)引起多孔陶瓷表面結(jié)構(gòu)改變，濕敏特性變劣，故采用交流電源供電(由振蕩器提供)。若交流電源頻率過(guò)高，由于元件的附加容抗將影響測(cè)濕靈敏度和準(zhǔn)確性。應(yīng)以不產(chǎn)生正、負(fù)離子積聚為原則，電源頻率盡可能低，一般

29、以生產(chǎn)傳感器廠家提供的參數(shù)為宜。對(duì)于離子導(dǎo)電型濕敏元件，電源頻率應(yīng)大于5 Hz，一般以1 kHz為宜。對(duì)于電子導(dǎo)電型濕敏元件，電源頻率應(yīng)低于50 Hz。第11章化學(xué)傳感器 交流電源不僅影響傳感器的特性，也影響傳感器的壽命和可靠性等指標(biāo), 因此最好選用失真小的正弦波，波形以0 V為中心對(duì)稱，無(wú)疊加直流偏置的信號(hào)。若用方波作為交流電源, 也可使?jié)穸葌鞲衅髡９ぷ?，但方波也?yīng)以0 V為中心，無(wú)直流偏置電壓，且占空比為50%的對(duì)稱波形。交流電源的大小也由廠家要求來(lái)確定。通常最大電源電壓的有效值為12 V，在1 V左右使用對(duì)傳感器影響最小。若電源電壓過(guò)低，濕度傳感器為高阻抗，低濕度端將受到噪聲的影響；相

30、反，若電源電壓過(guò)高，將影響可靠性。第11章化學(xué)傳感器 (2) 線性化處理：一般濕敏元件的特性均為非線性，在大多數(shù)情況下，難以得到隨濕度變化而線性變化的輸出電壓。為便于測(cè)量，常用折線近似方法將其線性化。為此，必須加入線性化電路，它將傳感器電路的輸出信號(hào)變換成正比于濕度變化的電壓，準(zhǔn)確地顯示出濕度值。第11章化學(xué)傳感器 (3) 電阻特性的處理：電阻式濕敏傳感器的濕度-電阻特性呈指數(shù)規(guī)律變化，濕度傳感器的輸出電壓(或電流)也按指數(shù)規(guī)律變化，在30%90%RH范圍內(nèi)，電阻變化l萬(wàn)10萬(wàn)倍，因而常采用對(duì)數(shù)壓縮電路來(lái)解決此問(wèn)題，即利用硅二極管正向電壓和正向電流呈指數(shù)規(guī)律變化構(gòu)成運(yùn)算放大電路。濕度傳感器的電

31、阻在低濕度時(shí)達(dá)幾十兆歐，信號(hào)處理時(shí)必須選用場(chǎng)效應(yīng)管輸入型運(yùn)算放大器。為了確保低濕度測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性，在傳感器信號(hào)輸入端設(shè)置電路保護(hù)環(huán)，或者用聚四氟乙烯支架來(lái)固定輸入端，使它從印刷板上浮空，從而消除來(lái)自其他電路的漏電流。第11章化學(xué)傳感器 (4) 測(cè)濕范圍：電阻式濕敏傳感器在濕度超過(guò)95%RH時(shí)，濕敏膜因濕潤(rùn)溶解，厚度會(huì)發(fā)生變化，若反復(fù)結(jié)露與潮解，特性將變壞而不能復(fù)原。電容式濕敏傳感器在80%RH以上高濕及100%RH以上結(jié)露或潮解狀態(tài)下，也難以檢測(cè)。另外，切勿將濕敏電容直接浸入水中或長(zhǎng)期用于結(jié)露狀態(tài)，也不要用手摸或用嘴吹其表面。第11章化學(xué)傳感器 (5) 溫度補(bǔ)償：氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻的溫

32、度系數(shù)通常為0.10.3，在測(cè)濕精度要求高的情況下必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般采用對(duì)數(shù)壓縮電路，利用硅二極管的正向電壓具有負(fù)溫度系數(shù)(2 mV/)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)濕度傳感器的對(duì)數(shù)壓縮和溫度補(bǔ)償。利用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻也可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但要求濕度傳感器的溫度特性必須接近一般熱敏電阻的B常數(shù)(B=4000)，當(dāng)溫度特性較大時(shí)，這種方法很難實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。第11章化學(xué)傳感器 (6) 安裝使用：為了加快響應(yīng)速度，濕敏傳感器應(yīng)安裝在空氣流動(dòng)的環(huán)境中。延長(zhǎng)傳感器的引線時(shí)要注意以下原則：延長(zhǎng)線應(yīng)使用屏蔽線，最長(zhǎng)不超過(guò)1 m，裸露引線盡量短。特別是在10%20%RH的低濕度區(qū)，濕敏特性受延長(zhǎng)線影響較大，必須對(duì)測(cè)量值和精

33、度進(jìn)行確認(rèn)。進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償元件的引線也要使用屏蔽線，并同時(shí)延長(zhǎng)，使它盡可能靠近濕度傳感器安裝。第11章化學(xué)傳感器 11.3離子敏傳感器離子敏傳感器11.3.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)采用半導(dǎo)體平面工藝制作，由于這類(lèi)元件的制造工藝成熟，便于集成化，所以性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型結(jié)構(gòu)如圖11.16所示。 第11章化學(xué)傳感器 圖11.16MOSFET的結(jié)構(gòu)第11章化學(xué)傳感器 當(dāng)UDSUGSUT(工作在非飽和區(qū))時(shí)當(dāng)UDSUGSUT(工作在飽和區(qū))時(shí)DSDSTGSD21UUUUI2TGSD)(21UUI(11.6) (11.5) 第11章化

34、學(xué)傳感器 11.3.2離子敏場(chǎng)效應(yīng)管離子敏場(chǎng)效應(yīng)管 1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理離子敏器件由離子選擇膜(敏感膜)和轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，敏感膜用來(lái)識(shí)別離子的種類(lèi)和濃度，轉(zhuǎn)換器將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將普通MOSFET的金屬柵去掉，讓絕緣氧化層直接與溶液相接觸，或者在絕緣氧化層上涂覆一層離子敏感膜，就構(gòu)成了離子敏場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)。第11章化學(xué)傳感器 敏感膜的種類(lèi)很多，不同敏感膜用于檢測(cè)不同的離子，具有離子選擇性。用Si3N4、SiO2、Al2O3制成的無(wú)機(jī)敏感膜可測(cè)量H+、pH；用AgBr(溴化銀)、硅酸鋁、硅酸硼制成的敏感膜可測(cè)量Ag+、Br、Na+；用聚氯乙烯+活性劑的混合物制成的

35、有機(jī)高分子敏感膜可測(cè)量K+、Ca+等。圖11.17為離子敏場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖。 第11章化學(xué)傳感器 圖11.17離子敏場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)第11章化學(xué)傳感器 當(dāng)把ISFET插入被測(cè)溶液時(shí)，溶液與敏感膜接觸處會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，大小取決于溶液中被測(cè)離子的濃度。這一界面電勢(shì)的大小將直接影響閾值電壓UT的值。如果以i表示響應(yīng)離子的濃度，則當(dāng)被測(cè)溶液中的干擾離子影響較小時(shí)，閾值電壓UT可表示為UT=C+S lgi (11.7)第11章化學(xué)傳感器 2. ISFET的特點(diǎn)的特點(diǎn)(1) 輸出阻抗低：一般離子選擇電極的輸出阻抗很高，如玻璃電極的輸出阻抗高達(dá)109 ，要配合高輸入阻抗的pH計(jì)才能進(jìn)行測(cè)量。而離子敏傳感器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，同時(shí)還具有展寬頻帶(0f1 MHz)和放大信號(hào)的作用；(2) 響應(yīng)時(shí)間短：采用半導(dǎo)體薄膜工藝，可以將敏感膜的厚度做得很薄，一般只有100 nm 左右，最薄可達(dá)到幾納米。因此離子敏傳感器的水化時(shí)間很短，對(duì)離子活度的響應(yīng)速度很快，響應(yīng)時(shí)間小于1 s，而一般的離子選擇電極