第11章 化学与生物传感器

11
第11章 化学与生物传感器
α、C和a的数值与检测元件的材料、形状、 结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性
气体的种类所决定的。因而，在一定条件下， 均为确定的常数。根据(11-1-3)式和(11-1-4) 式可以得到 USC=kmb (b= αaQ/C) （11-1-5）
即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓 度m成比例。如果在A、B两点间连接一只电流计 或者电压计，就可以测得A、B间的电位差E，并 由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应 的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到 一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性 曲线如图11-1-2所示。
18
第11章 化学与生物传感器
2)气敏元件的灵敏度 气敏元件的灵敏度，是表征气敏元件对于被测气体的敏感程 度的指标。它表示气体敏感元件的电参量(例如电阻型气敏元件的 电阻值)与被测气体浓度之间的依从关系。表示气敏元件灵敏度的 方法较多，常用的表示方法有如下三种。 ①电阻比灵敏度K K=Ra/Rg (11-1-6) 式中 Ra——气敏元件在洁净空气中的电阻值； Rg——气敏元件在规定浓度的被测气体中的电 阻值。
19
第11章 化学与生物传感器
②气体分离度α (11-1-7) RC2 式中 ——气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值； R C1 ——气敏元件在浓度为 C2的被测气体中的阻值。 C>C 2 通常，R C1 2。

RC1
20
第11章 化学与生物传感器
(3)输出电压比灵敏度KV 式中
(11-1-8) Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电 阻上的电压输出； Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时， 负载电阻上的电压输出。
4
第11章 化学与生物传感器
表11-1-1 常见半导体气敏元件的分类
主要物理特性 类型 气敏元件 检测气体
表面控制型
SnO2、ZnO等烧结体、 薄膜、厚膜
可燃性气体
电阻型
电 阻 体控制型 MgO、SnO2、氧化钛 （烧结体）、 T-Fe2O3等 酒精、可燃性气体、氧 气
铂-硫化镉、铂-氧化钛、 金属-半导体结构二极管 非电阻型 二极管整流特性 晶体管特性 管 表面控制型 铂栅、钯栅MOS场效应
6
第11章 化学与生物传感器
但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命 较短，所以，目前实际应用的检测元件，都是在铂丝圈 外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命， 又可以提高检测元件的响应特性。接触燃烧式气体敏感 元件是由图11-1-1所示的桥式电路构成的。图中F1是检 测元件;F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃 烧以外的环境温度变化、电源电压变化等因素所引起的 偏差。接触燃烧式气体敏感元件工作时，要求在F1和F2 上经常保持一定的电流通过(一般为100～200 mA)。以 供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧) 所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由 于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件 的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在 A、B间产生电位差USC。
第11章 化学与生物传感器
将各种化学物质的特性 ( 如气体、离子或电解质浓度、空气湿 度等)的变化定性或定量地转换成电信号的传感器称为化学传感 器。化学传感器的种类和数量很多，各种器件转换原理也各不相 同，这里主要分析气敏传感器和湿敏传感器。
以固定生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称 为生物传感器。生物传感器检测的待分析物质一般是 纯化学物质(甚至是无机物)，尽管其生物组分是目标 分析物，关键不同之处在于其识别元件在性质上是生 物质。
7
第11章 化学与生物传感器
如果A、B两点之间的电位差是E， 桥式电路BD臂上的电阻为R1，BC臂上 的电阻为R2，检测元件F1的电阻为RF ， 1 补偿元件F2的电阻为RF 。由于接触燃烧 2 作用，检测元件的电阻变化为ΔRF 、 1 ΔRF 与RF 、RF 、R1、R2相比非常小， 2 1 2 所以，A、B点间的电位差USC可以由下 式求得 USC= E0 [(RF + ΔRF) / (RF +RF + ΔRF)- R1 1 1 2 /(R1+R2)] (11-1-1)
16
第11章 化学与生物传感器
因此被氧原子捕获的电子重新回到半导体中，表面电阻下降。 利用这种表面电阻的变化检测各种气体的敏感元件称为表面电阻控 制型气敏元件。目前这类元件大都做成多孔质烧结体、薄膜、厚膜 等形状。多孔质烧结体、薄膜和厚膜元器件为多晶体，它们由很多 晶粒组合而成，晶粒接触部分的形状对气敏特性有很大的影响。
Va KV Vg
21
第11章 化学与生物传感器
3)气敏元件的分辨力 气敏元件的分辨力，表示气敏元件对被测气体的识 别(选择)以及对干扰气体的抑制能力。通常用下式表示 分辨力S Vg Vg Va S (11-1-9) Vgi Vgi Va 式中 S—气敏元件的分辨力； Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电 阻上的输出电压； Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作 时，负载电阻上的输出电压； Vgi—气敏元件在i种气体浓度为规定值中工 作时，负载电阻上的输出电压。
15
第11章 化学与生物传感器
(1)表面电阻控制型气敏元件导电机理 N型半导体气敏元件的表面在空气中吸附氧分子并从半导体 表面获得电子而形成O-2、O-、O-2等的受主型表面能级，结果表面 电阻增加。如果H2或CO等还原性气体作为被检测气体或气敏元件 表面接触时，这些气体与氧进行如下反应：
On-吸附+H2→H2O+ne On-吸附+CO→CO2+ne
2
第11章 化学与生物传感器
由于被测气体的种类繁多，性质不尽相同，不可能用一种传 感器检测所有的气体，所以气敏传感器的种类繁多。气敏传感 器按工作原理可分为半导体式气敏传感器、接触燃烧式气敏传 感器等不同类型。从材料、结构和应用范围来看，目前仍以半 导体式气敏传感器居多，这类传感器具有结构简单、使用方便 的优点。 半导体式气敏传感器是利用半导体气敏元件 ( 主要是金属氧 化物)同待测气体接触时，通过测量半导体的电导率等物理量的 变化检测特定气体的成分或者浓度的。
H2、CO、酒精
氢气、硫化氢
5
第11章 化学与生物传感器
11.1.1 接触燃烧式气体传感器 (1)检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化 反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温 度升高，电阻值相应增大(由于金属铂具有正的温度系数，当温度 升高时，其电阻值相应增加，并且，作为温度—电阻率关系，在温 度不太高时，具有良好的线性关系)。一般情况下，空气中可燃性 气体的浓度都不太高(低于10%)，可燃性气体可以完全燃烧，其发 热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化 反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)越多，铂丝的温度变化(增高) 越大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝 的电阻变化值(ΔR)，就可以检测空气中可燃性气体的浓度。
3
第11章 化学与生物传感器
半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式两类。电阻式气 敏传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作成敏感元件， 利用敏感材料接触气体时其电阻值的变化检测气体的成分或浓度 的；非电阻式气敏传感器也是一种半导体器件，它们与被测气体 接触后，如二极管的伏安特性或场效应管的阈值电压等将会发生 变化。根据这些特性的变化测定气体的成分或浓度。半导体式气 敏传感器具体分类如图11-1-1所示。
17
第11章 化学与生物传感器
(2)半导体气敏元件的特性参数
1)气敏元件的电阻值
通常将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值， 称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，习惯上用符号Ra表 示。一般电阻型半导体气敏元件的固有电阻值，大多在 103～105Ω范围。
测定电阻型气敏元件的固有电阻值Ra，对于测量仪表 的要求并不高。但是，对于测量时的环境却要求较高，必 须在洁净空气环境中进行。这是由于经济地理环境的差异， 各地区空气中所含有的气体成分差别较大，即使对于同一 气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定， 其固有电阻值Ra都将出现差别。为了统一测定条件，必须
1
第11章 化学与生物传感器
本章对化学传感器主要介绍接触燃烧式气敏元件、金属氧 化物半导体气敏元件；陶瓷湿敏传感器，高分子湿敏传感器等； 对生物传感器主要介绍酶传感器、免疫传感器以及生物芯片等。 11.1 气体传感器 随着近代工业的进步，特别是石油、化工、煤炭、汽车等工 业部门的迅速发展，使人类的生活以及社会活动发生了相应的 变化。被人们所利用的和在生活、工业上排放出的气体种类、 数量日益增多。这些气体中，许多是易燃、易爆(例如氢气、煤 矿瓦斯、天然气、液化石油气等 )或者对于人体有毒害的 ( 例如 一氧化碳、氟里昂、氨气等)。如果泄漏到空气中，会污染环境、 影响生态平衡，甚至导致爆炸、火灾、中毒等灾害性事故。为 保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故的发生，需要对 各种有害、可燃性气体在环境中存在的状况进行有效的监控。
k E0 R1 / R1 R2 RF1 RF2


(11-1-3)
USC=k(RF /RF ) ΔRF
2 1
9
第11章 化学与生物传感器
这样，A、B两点间的电位差E，在检测元件F1和补偿元件F2 的电阻比RF /RF 接近于1的范围内，近似地与ΔRF成比例。在此， 2 1 ΔRF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起 的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即ΔRF 可以用下面的公式来表示 ΔRF∞α ΔT = α ΔH/C= αamQ/C (11-1-4)
•
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10
第11章 化学与生物传感器