第11章化学传感器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

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。 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：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 气敏传感器的定义： 是能够感知环境中某种气体及其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：对被测气体(种类)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：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性； 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 气敏传感器的分类 类 型 原 理 检测对象 特 点 半导体式 若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，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 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 （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，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散（物理吸附），失去运动能量，其间一部分分子被蒸发掉，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， 半导体表面呈现电荷层。氧气、NO2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性气体。 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。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性气体。 电阻式气敏传感器的阻值变化规律 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)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