第10章-化學(xué)傳感器課件

第10章化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器半導(dǎo)體氣、濕敏傳感器甘汞電極氣敏傳感器濕敏傳感器pH玻璃電極第10章化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器半導(dǎo)體氣1第一節(jié)電化學(xué)測量基礎(chǔ)一、電化學(xué)測量系統(tǒng)電勢型電流型電導(dǎo)型

1、電勢型電化學(xué)傳感器e——電極電勢；C——離子濃度（活度）；a、b——與物質(zhì)種類、溫度有關(guān)的常數(shù)。原電池德國化學(xué)家W.能斯特能斯特方程：第一節(jié)電化學(xué)測量基礎(chǔ)一、電化學(xué)測量系統(tǒng)電勢型1、22、電流型電化學(xué)傳感器電解池3、電導(dǎo)型電化學(xué)傳感器2、電流型電化學(xué)傳感器電解池3、電導(dǎo)型電化學(xué)傳感器3二、電化學(xué)基本概念1、電離常數(shù)[BA]——平衡時未電離的分子濃度；[A-]和[B+]——平衡時離子濃度。電離常數(shù)a——有效濃度：2、活度和活度系數(shù)γ——活度系數(shù)，表示濃度有百分之幾是有效的。通常0<γ<1。a=γc二、電化學(xué)基本概念1、電離常數(shù)[BA]——平衡時未電離的分子4三、電極電勢水化作用CuSO4電極電勢的大小與溫度、電極材料，以及參與電極反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)的活度有關(guān)。

三、電極電勢水化作用CuSO4電極電勢的大小與溫度5E0----標(biāo)準(zhǔn)電極電勢；R-----氣體常數(shù),R=8.314J·mol-1·K-1；F-----法拉弟常數(shù)，F(xiàn)=96500C·eq-1;T-----熱力學(xué)溫度，K；Z-----參與電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；aA、aB、aG、aH分別為A、B、G、H的活度。若在電極/溶液界面發(fā)生下列電極反應(yīng)：能斯特方程式電極電勢：E0----標(biāo)準(zhǔn)電極電勢；若在電極/溶液界面發(fā)生下列電極反應(yīng)6在應(yīng)用能斯特方程時，先將電極反應(yīng)寫成還原反應(yīng)。將反應(yīng)物的活度寫在分子上，生成物的活度寫在分母上，系數(shù)寫成方次；純固態(tài)、純液態(tài)物質(zhì)的活度都等于1；如果是氣體，則用分壓代替活度。當(dāng)T＝298K（25°C）時，在應(yīng)用能斯特方程時，先將電極反應(yīng)寫成還原反應(yīng)。7四、電極的種類標(biāo)準(zhǔn)氫電極、銀/氯化銀電極、甘汞電極（1）參比電極離子選擇電極等（2）指示電極（3）工作電極和輔助電極三電極系統(tǒng)、二電極系統(tǒng)四、電極的種類標(biāo)準(zhǔn)氫電極、銀/81、參比電極（1）標(biāo)準(zhǔn)氫電極氫電極電勢E：電極反應(yīng)：因為，所以在、大氣壓時，E=0。1、參比電極（1）標(biāo)準(zhǔn)氫電極氫電極電勢E：9（2）甘汞電極電極電勢E：

電極反應(yīng)：（2）甘汞電極電極電勢E：電極反應(yīng)：10（3）銀-氯化銀電極電極電勢E：Ag/AgCl電極電勢取決于Cl-活度。電極反應(yīng)：（3）銀-氯化銀電極Ag/AgCl電極電勢取決于Cl-活度。11第二節(jié)離子選擇性電極（ISE）一、理論和特性1、理論電極管內(nèi)參比電極內(nèi)參比液敏感膜構(gòu)成球形pH玻璃電極第二節(jié)離子選擇性電極（ISE）一、理論和特性構(gòu)成12第10章--化學(xué)傳感器ppt課件13例PH的測定：以甘汞電極為參比電極,玻璃電極為指示電極組成原電池。E=E甘汞-E玻璃

例PH的測定：以甘汞電極為參比電極,玻璃142、特性（1）檢測極限（2）選擇性

電勢選擇系數(shù)表示。

A表示被測離子；X表示干擾離子。例：2、特性（1）檢測極限（2）選擇性電勢選擇15aA和ZA——分別表示被測離子的活度和電荷數(shù)；aB、aC…和ZB、ZC…——分別表示干擾離子的活度和相應(yīng)離子的電荷數(shù)。例如，鈉玻璃NAS11-18對各種離子選擇性大小的次序為：在存在時，電極電勢為：aA和ZA——分別表示被測離子的活度和電荷數(shù)；aB、aC…和16（3）組成和選擇性玻璃電極玻璃膜組成和選擇性（3）組成和選擇性玻璃電極玻璃膜組成和選擇性17（4）阻抗特性（6）電極壽命玻璃電極電阻與溫度的關(guān)系（5）響應(yīng)時間國際上規(guī)定：響應(yīng)時間指電極電勢到達(dá)離最終平衡電勢1mV時所需要的時間。（4）阻抗特性（6）電極壽命玻璃電極電阻與溫度的關(guān)系（5）響183、測量電路Ex——被測電池的電動勢；Rx——內(nèi)阻；Cx——等效電容；Ri——測量電路輸入阻抗。

當(dāng)時，N=0.1%，當(dāng)Ri>>RX時，Va≈EX。測量的相對誤差N:原電池等效電路

當(dāng)時，N=0.1%，故要求Ri>RX，一般不得小于103倍。3、測量電路Ex——被測電池的電動勢；Rx——內(nèi)阻；19

（1）實驗室常用的玻璃電極pH玻璃電極常用1mol/LHCL；鈉電極常用0.1或1mol/LNaCl；鉀電極常用0.1或1mol/LKCl。4、應(yīng)用（1）實驗室常用的玻璃電極pH玻璃電極常用120（2）醫(yī)用玻璃電極有如下幾種形式：1）毛細(xì)管型離體血液pH測量系統(tǒng)（2）醫(yī)用玻璃電極有如下幾種形式：1）毛細(xì)212）導(dǎo)管型3）微電極型體內(nèi)pH值測量細(xì)胞內(nèi)pH值測量2）導(dǎo)管型3）微電極型體內(nèi)pH值測量細(xì)胞內(nèi)pH值測量22第三節(jié)離子敏場效應(yīng)晶體管（ISEFT）1、結(jié)構(gòu)和工作原理參比電極︱被測溶液︱離子敏感膜E參E液-膜第三節(jié)離子敏場效應(yīng)晶體管（ISEFT）1、結(jié)構(gòu)和工作原23漏極電流ID與離子活度的關(guān)系有兩種情況：（2）在飽和區(qū)：式中：μ——電子在溝道中的遷移率；C0——柵絕緣層單位面積電容；W——溝道寬度；L——溝道長度；——ISFET閾值電壓。（1）在非飽和區(qū)：漏極電流ID與離子活度的關(guān)系有兩種情況：（2）在飽和區(qū)：式中24二、ISFET的離子敏感膜1、無機(jī)敏感膜2、聚合物敏感膜3、非均相膜非均相膜氯、碘和氰離子ISFET的響應(yīng)二、ISFET的離子敏感膜1、無機(jī)敏感膜2、聚合物敏感膜3、25三、ISFET的醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用1、兔頭蓋骨內(nèi)pH和pNa變化情況的測定2、ISFET遙測器（1）連續(xù)測量口內(nèi)齒垢下的pH；（2）測量胃內(nèi)各部分的pH；（3）連續(xù)監(jiān)測血管內(nèi)血液pH；（4）測定血液中的。3、細(xì)胞內(nèi)離子活度的測定三、ISFET的醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用1、兔頭蓋骨內(nèi)pH和pNa變化26第四節(jié)氣敏電極一、氧電極1、開放式氧電極氧含量與電壓、電流關(guān)系第四節(jié)氣敏電極一、氧電極1、開放式氧電極氧含272、封閉式氧電極2、封閉式氧電極283.Clack電極在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（1）測量流動血液的氧電極結(jié)構(gòu)圖3.Clack電極在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（1）測量流動血液的氧電極結(jié)29（2）經(jīng)皮測氧的氧電極結(jié)構(gòu)圖TCM4無創(chuàng)經(jīng)皮氧/二氧化碳監(jiān)護(hù)儀（2）經(jīng)皮測氧的氧電極結(jié)構(gòu)圖TCM4無創(chuàng)經(jīng)皮氧/二氧化碳監(jiān)30二、二氧化碳?xì)饷綦姌O

1、結(jié)構(gòu)和原理中間溶液通常為0.01mol/LNaHCO3和KCl溶液。二、二氧化碳?xì)饷綦姌O1、結(jié)構(gòu)和原理中間溶液通常為0.01mo31(1）測量血液中CO2含量的CO2氣敏電極2、CO2氣敏電極在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用(1）測量血液中CO2含量的CO2氣敏電極2、CO2氣敏電極32（2）在皮膚表面上檢測二氧化碳TCM4無創(chuàng)經(jīng)皮氧/二氧化碳監(jiān)護(hù)儀（2）在皮膚表面上檢測二氧化碳TCM4無創(chuàng)經(jīng)皮氧/二氧化碳33第五節(jié)半導(dǎo)體陶瓷氣敏傳感器外形SnO、ZnO、CuO、NiO、TiO等N型半導(dǎo)體陶瓷P型半導(dǎo)體陶瓷第五節(jié)半導(dǎo)體陶瓷氣敏傳感器外形SnO、ZnO、Cu34當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體（SnO2,ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體(CrO3)上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。

氧化型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加總結(jié)如下：當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體（SnO2,Z35N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖36基本測量電路EH為加熱電源，EC為測量電源，電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出?；緶y量電路EH為加熱電源，EC為測量電源，電阻中37◆氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此，氣敏元件結(jié)構(gòu)上，有電阻絲加熱，結(jié)構(gòu)如上圖所示，1和2是加熱電極，3和4是氣敏電阻的一對電極。氣敏元件結(jié)構(gòu)氣敏元件結(jié)構(gòu)38SnO2是典型的N型半導(dǎo)體，目前最常用的氣敏材料，檢測氣體主要有，CH4、C3H8、CO、H2、C2H5OH、H2S等可燃性氣體等。

常用的半導(dǎo)體陶瓷氣敏材料：1）氧化錫（SnO2）系列：各種可燃性氣體的濃度與SnO2傳感器電阻變化率的關(guān)系ZnO也是N型半導(dǎo)體，檢測氣體主要有：異丁烷、丙烷、乙烷、CO、H2等可燃性氣體和煙霧。

2）氧化鋅（ZnO）系列SnO2是典型的N型半導(dǎo)體，目前最常用的氣敏材料，檢391、燒結(jié)型2、薄膜型3、厚膜型結(jié)構(gòu)：1、燒結(jié)型2、薄膜型3、厚膜型結(jié)構(gòu)：40礦井瓦斯超限報警器工作原理圖礦井瓦斯超限報警器工作原理圖41氣敏電阻放大電路加熱電源比較器電路觸發(fā)電路晶閘管電路排風(fēng)扇溫度補償喇叭聲光報警驅(qū)動電路閃光指示油煙(煤氣)自動通風(fēng)扇的原理框圖

氣敏放大電路加熱電源比較器電路觸發(fā)電路晶閘管電路排風(fēng)扇溫度補42家用有毒氣體報警器電路圖家用有毒氣體報警器電路圖43應(yīng)用：（1）家用可燃性氣體報警（2）礦燈瓦斯報警器應(yīng)用：（1）家用可燃性氣體報警（2）礦燈瓦斯報警器44（3）酒精監(jiān)測報警器（4）煙霧報警器（3）酒精監(jiān)測報警器（4）煙霧報警器45電容：電阻：第六節(jié)半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器濕敏濕敏電容：電阻：第六節(jié)半導(dǎo)體陶46濕度電信號（電阻、電容等）1.絕對濕度(AH)

AH=mV/V(kg/m3)2.相對濕度(RH)RH=(pV/pW)T100%mV—被測氣中水蒸氣的質(zhì)量pW—同溫度下的飽和水蒸氣壓濕度是指大氣中所含的水蒸氣量一、概述濕度電信號（電阻、電容等）mV—被測氣中水蒸氣的質(zhì)47半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻：半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。ZnO-LiO-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系：電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷；Fe3O4：電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻：半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用481、負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，于是，其表面層的電阻下降。若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達(dá)到表面層，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，同樣可以在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)。1、負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理由于水分子中的氫原49由此可見，不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。幾種半導(dǎo)瓷濕敏負(fù)特性由此可見，不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，其電阻率502、正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但這還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時仍以電子導(dǎo)電為主。于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電導(dǎo)占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總電阻值的明顯升高。2、正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理這類材料的結(jié)構(gòu)、51Fe3O4半導(dǎo)瓷濕敏電阻特性Fe3O4半導(dǎo)瓷濕敏電阻特性52（1）MgCr2O4-TiO2濕敏元件3、幾種典型的半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器：氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好。（1）MgCr2O4-TiO2濕敏元件3、幾種典型的半導(dǎo)體陶53（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方塑料盒中用樹脂固定而做成的。（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr54(a)安裝示意圖

(b)電路

（1）汽車后窗玻璃自動去濕裝置4、應(yīng)用(a)安裝示意圖(b)電路（1）汽車后窗玻璃自動55（2）房間濕度控制器（2）房間濕度控制器56（3）錄像機(jī)結(jié)露報警控制電路在一定大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)溫度下降到某一特定值時，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，這一特定溫度就稱為露點溫度。（3）錄像機(jī)結(jié)露報警控制電路在一定大氣壓下，57氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖1-引線；2-基片；3-感濕層；4-金屬電極其它濕度傳感器：1、氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離58氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場中，若環(huán)境相對濕度高，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對濕度變低時，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實現(xiàn)對濕度的測量。氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點是滯后小，不受測試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測精度高達(dá)±5%，但其耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能的重復(fù)性不理想，使用壽命短。氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（592、高分子式電阻濕敏傳感器

利用高分子電解質(zhì)吸濕而導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化的基本原理來進(jìn)行測量的。當(dāng)水吸附在強(qiáng)極性基高分子上時，隨著濕度的增加吸附