现代传感器技术-8-化学量传感器-2016年.ppt

8 化学传感器 8.2.3 电化学式气体传感器 2）电位型液体电解质气体传感器 检测信号为电化学电池中工作电极电位变化的气体传感器 原理：将溶解于电解质溶液并离子化的气态物质的离子作 用于离子电极，把产生的电动势作为传感器输出，从而利 用电极电势和气体体积分数之间的关系实现气体测量。 浓差电池式气体传感器主要利用两个电极之间的化学 电位差，一个在气体中测量气体体积分数；另一个是固定 的参比电极。 工作原理：气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出 的电动势就可测出气体体积分数。 目前的气敏材料主要有聚乙烯醇?磷酸等材料。 8 化学传感器 8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻元件 (1)半导体陶瓷材料的感湿机理 (b) 半导体感湿陶瓷的离子过程 随着相对湿度增加，在表面OH?上形成物理吸附的水分子 层。由于化学吸附层中形成的局部电场，促进了物理吸附 水的分解，水分解产生一个OH?和一个水合氢离子H3O+， 即2H2O→H3O++OH?，其电荷输送是通过一个质子附载在水 分子上形成水合氢离子。该水合氢离子会自动释放出另一 质子给第二个水分子，该分子接收此质子，同时释放出第 三个质子，这样周而复始地进行下去。随着水蒸气压力的 增加，则形成多层水的吸附层，其表面将被水覆盖，进一 步促进上述质子输运反应，使其电导变化。 8 化学传感器 8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻元件 (1) 半导体陶瓷材料的感湿机理 (a) 半导体感湿陶瓷表面的电子过程* 环境湿度增加时，P型湿敏材料吸附水分子后，最初主要表现在表面的氧离子与水分子的氢相吸引，相当于原来本征表面态氧施主能级密度下降，原来所俘获的部分空穴被释放，使耗尽层变薄，表面载流子密度增加，表面电阻下降。在粒界处，粒界势垒降低，晶粒表面层电阻下降。当湿度进一步增大时，使表面受主态密度增大，并使其大大超过表面施主态密度，则在表面处会形成比体内更高的空穴积垒层，使空穴势垒不复存在，空穴极易通过，元件电阻下降。同样，N型陶瓷湿敏器件也会得到相同的结果。 * * 8 化学传感器 8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻元件 (1) 半导体陶瓷材料的感湿机理 (b) 半导体感湿陶瓷的离子过程 制成陶瓷湿敏元件的金属氧化物的结构单元可视为金属正离子与氧负离子，并在表面以正、负离子交替分布。由于它未被异性离子屏蔽，因此对电子电荷有不同的吸引力。水是极性分子，当它接触元件表面时，由于水离解成H+和OH?离子，所以产生化学吸附。结果使得H+离子与氧化物表面的氧离子结合，OH?离子则与其中的金属离子结合。 * * 8 化学传感器 8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻元件 （2）典型半导体陶瓷器件 一种MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿度传感器结构如图所示。陶瓷片的两面设有多孔金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起。在半导体陶瓷片外面，设有一个用镍铬丝制成的加热清洗线圈，对器件能做加热清洗，排除有害气体的污染。器件安装在一个高度致密的、疏水性的陶瓷基片上。为消除底座上测量电极2和3之间因吸湿和污染引起的漏电，在电极2和3的周围设置了金短路环，图中的1和4为加热器的引出线。 该传感器由P型MgCr2O4和N型TiO2两种材 料烧结而成，是一种机械混合的复合型半 导体陶瓷。其电阻率较低、电阻率温度系 数很小。 * * 8 化学传感器 8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻元件 （2）典型半导体陶瓷器件 左图为这种湿敏电阻的电阻-相对湿度特性曲线。右图是一种测量电路。其中R为湿敏电阻，Rt为温度补偿用热敏电阻。为使检湿的灵敏度最大，取R=Rt。这时传感器输出电压经跟随器并整流和滤波后，一路送比较器1与参考电压Ul比较，以显示湿度测量值；另一路送比较器2与参考电压U2比较，以控制加热电路，以便按一定时间加热清洗。 * * MgCr2O4-TiO2湿敏电阻特性曲线 MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿度传感器检测电路 8 化学传感器 8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻元件 （3）多孔氧化物湿度传感器 多孔氧化物(膜)湿度传感器主要指多孔Al2O3和多孔SiO2湿度传感器。其感湿机理相同，都可制成绝对和相对湿度器件. 这类器件为湿度传感器的微型化、集成化以及智能化开辟了新的途径，所以发展很快。 多孔SiO2湿敏器件的核心是有感湿特性的多孔结构SiO2膜。 SiO2膜中的气孔形状近似细长圆管，且气孔均匀地从膜表 面垂直地钻蚀到膜的下部。 环境湿度发生变化时，膜中气孔壁 上所吸附的水分子数量也随之变化， 从而引起SiO2膜的电特性改变。 * * 8 化学传感器 8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻元件 （3）多孔氧化物湿度传感器 其等效电路如图所示，其中R1是气孔内表面电阻，其值取决于吸附在气孔内壁上水分子量，是主要的感湿参量；R