化学传感器-PPT.ppt
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1、第11章化学传感器知识单元与知识点化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义;湿度的表示方法(绝对湿度、相对湿度和露点);气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点;半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理;气敏传感器、湿敏传感器的应用。能力点理解化学传感器、气敏传感器、湿度、湿敏传感器的定义;了解湿度的表示方法;了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点;会分析半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理;了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。重难点重点:基本概念;气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点;导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理。难
2、点:半导体陶瓷湿敏材料的导电机理。学习要求了解化学传感器、气敏传感器、湿敏传感器的定义及湿度的表示方法;了解气敏传感器、湿敏传感器的主要参数和特性、类型、特点;掌握半导体式气敏传感器、电阻式湿敏传感器的工作原理;了解气敏传感器、湿敏传感器的应用。物理传感器与化学传感器 在人类的感觉中,视觉、听觉和触觉获取的是物理信息在人类的感觉中,视觉、听觉和触觉获取的是物理信息(光,力),与之相关的传感器被分类为物理传感器。嗅觉、(光,力),与之相关的传感器被分类为物理传感器。嗅觉、味觉获取的是化学信息(化学物质的浓度,组成),称为化学味觉获取的是化学信息(化学物质的浓度,组成),称为化学传感器。传感器。人
3、的感觉有种种局限,它对许多有味物质的感觉比较迟人的感觉有种种局限,它对许多有味物质的感觉比较迟钝,同时能感觉到的化学对象的种类亦有限。比如人的嗅觉不钝,同时能感觉到的化学对象的种类亦有限。比如人的嗅觉不能识别有毒的能识别有毒的COCO,因而常常在不知不觉中中毒。,因而常常在不知不觉中中毒。种类繁多的化学传感器的出现,突破了人类感官的局限,种类繁多的化学传感器的出现,突破了人类感官的局限,比如,半导体气体传感器对人鼻嗅之无味的比如,半导体气体传感器对人鼻嗅之无味的COCO有着非常灵敏的有着非常灵敏的检测能力。检测能力。化学传感器的概念11.1 气敏传感器11.2 湿敏传感器 化学传感器化学传感器
4、:能将各种化学物质特性的变化定性或定量地转化为电信号的传感器气体的成份与浓度离子或电解质浓度空气湿度二、化学传感器的分类1、按工作原理分:电化学式光化学式热学式质量式 电流型电位型电导型你能描述下这三种传感器的工作原理吗?电位型传感器(potentiometric sensors)是将溶解于电解质溶液中的离子作用于离子电极而产生的电动势作为传感器的输出而取出,从而实现离子的检测;电流型传感器(amperometric sensor)是在保持电极和电解质溶液的界面为一恒定的电位时,将被测物直接氧化或还原,并将流过外电路的电流作为传感器的输出而取出,从而实现化学物质的检测;电导型传感器是以被测物氧
5、化或还原后电解质溶液电导的变化作为传感器的输出而取出,从而实现物质的检测。2、按换能器操作原理分化学传感器光学式器件电学式器件质量敏感型器件磁学式器件热学式器件其他3、按检测对象分类化学传感器离子传感器离子选择性液膜型离子固体膜型湿度传感器湿度传感器电阻式电容式其他生物传感器微生物传感器酶传感器免疫传感器气体传感器气体传感器半导体接触燃烧型固体电解质电解型气敏传感器的定义:是能够感知环境中某种气体某种气体及其浓度浓度的一种敏感器件它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。11.1 气敏传感器 气敏传感器是能够感知环境中 填空1
6、 及其 填空2 的敏感器件作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题2分气敏传感器的性能要求 对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定,重复性好 动态特性好,对检测信号响应迅速使用寿命长 制造成本低,使用与维护方便等 专一性气敏传感器的主要参数及特性灵敏度灵敏度:对被测气体(种类)的敏感程度响应时间响应时间:对被测气体浓度的响应速度选择性选择性: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湿
7、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电源电压特性:指气敏元件灵敏度灵敏度随电源电压变化而变化的特性 时效性时效性:反映元件气敏特性稳定程度的时间,就是时效性;互换性:互换性:同一型号元件之间气敏特性的一致性,反映了其互换性 选择性是指在多种气体共存的条件下,气敏元件 填空1 的能力作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分气敏元件的稳定性反映了()的能力对被测气体浓度的高速响应区分气体种类抗干扰灵敏度不随电源电压变化ABCD提交单选题1分气敏传感器的分类类 型原 理检测对象特 点半导体式半导体式 若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等),
8、电阻值会增大或减小还原性气体、城市排放气体、丙烷气等灵敏度高,构造与电路简单,但输出与气体浓度不成比例接触燃烧式 可燃性气体接触到氧气就会燃烧,使得作为气敏材料的铂丝温度升高,电阻值相应增大燃烧气体输出与气体浓度成比例,但灵敏度较低化学反应式利用化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等气体选择性好,但不能重复使用光干涉式利用与空气的折射率不同而产生的干涉现象与空气折射率不同的气体,如CO2等寿命长,但选择性差热传导式根据热传导率差而放热的发热元件的温度降低进行检测与空气热传导率不同的气体,如H2等构造简单,但灵敏度低,选择性差红外线吸收散射式
9、由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量进行检测CO、CO2等能定性测量,但装置大,价格高11.1.2 半导体式气敏传感器的工作原理半导体式气敏传感器概念:利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体性质发生变化的原理来检测特定气体的成分或者浓度半导体式气敏传感器可分为:电阻式非电阻式半导体式气敏传感器 电阻式 烧结型 薄膜型 厚膜型 二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 PdMOSFET气敏传感器 非电阻式 半导体式气敏传感器的分类(1)电阻式气敏传感器基本原理是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸
10、附的分子首先在表面上自由扩散(物理吸附),失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时,吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类,它们被称为还原型气体或电子供给型气体。气体吸附规律当氧化型气体吸附到N型半导体(SnO2,ZnO)上,还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)
11、上时,将使半导体载流子减少,而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,则载流子增多,使半导体电阻值下降。氧化性气体+P型半导体,电阻 填空1。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分规则总结:氧化型气体N型半导体:载流子数下降,电阻增加还原型气体N型半导体:载流子数增加,电阻减小氧化型气体P型半导体:载流子数增加,电阻减小还原型气体P型半导体:载流子数下降,电阻增加 N型:电子型:电子N型:空穴型:空穴提供电子提供电子接收电子接收电子还原性气体+N型半导体,电阻 填空1。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂可为此题添加文本、图片、公式等解析,
12、且需将内容全部放在本区域内。正常使用需3.0以上版本还原性气体供给电子;N型半导体主要载流子为电子;因此还原型气体解除N型半导体后,因向半导体材料提供电子,导致半导体材料电子进一步增多答案解析填空题1分答案解析 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 SnO2的灵敏度特性和温湿度特性SnO2气敏电阻的基本检测电路主要类型 烧结型气敏器件 薄膜型气敏器件 厚膜型气敏器件 烧结型气敏器件(10_1_01 7:41)烧结型气敏器件的制作是将敏感材料(SnO2、ZnO等)和掺杂剂(Pt、Pb等)用水或粘合剂调合,倒入模具,埋入加热丝和测量电极,经传统的制陶方法烧结。最后将加
13、热丝和电极焊在管座上,加上特制外壳就构成器件。分为两种结构:直热式直热式和旁热式旁热式。直热式气敏器件 直热式器件管芯体积很小,加热丝加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内,兼作一个测量极兼作一个测量极缺点:热容量小,易受环境气流的影响测量电路与加热电路之间相互干扰,影响其测量参数加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩,容易造成器件接触不良旁热式气敏器件 旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内,在管外涂上梳状金电极,再在金电极外涂上气敏半导体材料,就构成了器件克服了直热式结构的缺点,器件的稳定性得到提高薄膜型气敏器件 制作采用蒸发或溅射的方法,在处理好的石英基片上形成一薄层薄层金
14、属氧化物薄膜金属氧化物薄膜(如SnO2、ZnO等),再引出电极。实验证明:SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好优点:灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等厚膜型气敏器件 厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与315重量的硅凝胶混合制成能印刷的能印刷的厚膜胶厚膜胶,把厚膜胶用丝网印用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基制到装有铂电极的氧化铝基片上片上,在400800高温下烧结烧结12小时制成优点:一致性好,机械强度高,适于批量生产 电阻式气敏传感器的特点 优点:工艺简单,价格便宜,使用方便;气体浓度发生变化时响应迅速;即使是在低浓度下,灵敏度也较高。缺点:稳定性差,老化较快,气体
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