傳感器原理與應用傳感器技術教學團隊第十章化學量傳感器CONTENTS10.1

氣敏傳感器10.2離子敏傳感器對應化學或生物化學信息的被分析物與敏感元件之間發(fā)生化學反應或化學過程結果，以定量或定性的方式轉(zhuǎn)化為可進一步分析的有用電信號的一種小型器件。以化學量如氣體成份、溶液中某種物質(zhì)的濃度等作為檢測對象。氣敏傳感器(又稱氣體傳感器)用來測量氣體的類別、濃度和成份按氣—電轉(zhuǎn)換分類，有金屬氧化物半導體式、接觸燃燒式、熱傳導式、固體電解式、恒電位電解式、伽伐尼電池式、光電干涉式以及紅外線吸收式等。按構成氣敏傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。半導體氣敏傳感器按照半導體與氣體的相互作用是在其表面還是在其內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩大類氣敏傳感器氣敏傳感器1、電阻型半導體氣敏傳感器半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，氣體接觸半導體表面能被吸附時，被吸附的分子首先在物體表面自由擴散并失去運動能量，一部分分子會被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子則產(chǎn)生熱分解而化學吸附在吸附處。若半導體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力（氣體的吸附和滲透特性），則吸附分子將從器件內(nèi)奪得電子而變成負離子吸附，使得半導體表面出現(xiàn)電荷層。當氧化型氣體吸附到N型半導體，還原型氣體吸附到P型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。氣敏傳感器N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖氣敏傳感器電阻型半導體氣敏傳感器的結構氣敏傳感器SnO2系氣敏傳感器SnO2氣敏元件靈敏度特性SnO2氣敏元件的阻值RC與空氣中被測氣體的濃度C成對數(shù)的關系，易受環(huán)境溫度和濕度的影響氣敏傳感器ZnO系氣敏傳感器對還原性氣體有較高的靈敏度，工作溫度高；添加Pt對烷烴類氣體有很高的靈敏度，對H2、CO等氣體靈敏度很低氣敏傳感器2、非電阻型半導體氣敏傳感器

非電阻型氣敏器件也是半導體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場效應晶體管（MOSFET）的閥值電壓的變化等特性而制成的氣敏元件。由于這類器件的制造工藝成熟，便于氣敏器件與處理電路進行集成，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。

由于SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，由等效電路可知，總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。由于鈀對氫氣（H2）特別敏感，當鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數(shù)降低，導致MOS管的C-V特性向負偏壓方向平移。根據(jù)這一特性就可用于測定H2的濃度。MOS二極管氣敏器件氣敏傳感器鈀-MOS場效應晶體管氣敏器件鈀-MOS場效應晶體管(Pd-MOSFET)的結構與普通MOSFET主要區(qū)別在于柵極G。Pd-MOSFET的柵電極材料是鈀，而普通MOSFET為鋁(Al)。因為Pd對H2有很強的吸附性，當H2吸附在Pd柵極上，引起Pd的功函數(shù)降低。根據(jù)MOSFET工作原理可知，當柵極（G）、源極（S）之間加正向偏壓VGS，且VGS＞VT（閾值電壓）時，則柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型。這個N型區(qū)域?qū)⒃礃O和漏極連接起來，形成導電通道，即為N型溝道。此時，MOSFET進入工作狀態(tài)。若此時，在源（S）漏（D）極之間加電壓VDS，則源極和漏極之間有電流流通（IDS）。IDS隨VDS和VGS的變化而變化，其變化規(guī)律即為MOSFET的V-A特性。當VGS＜VT時，MOSFET的溝道未形成，故無漏源電流。VT的大小除了與襯底材料的性質(zhì)有關外，還與金屬和半導體之間的功函數(shù)有關。Pd-MOSFET氣敏器件就是利用H2在鈀柵極上吸附后引起閾值電壓下降這一特性來檢測H2濃度。氣敏傳感器Pd-MOSFET和普通MOSFET結構由于這類器件特性尚不夠穩(wěn)定，用Pd-MOSFET和Pd-MOS二極管定量檢測H2濃度還不成熟，因此只能作H2的泄漏檢測。氣敏傳感器3氣敏元件的主要特性參數(shù)①靈敏度：靈敏度(k)是氣敏元件的一個重要參數(shù),標志著氣敏元件對氣體的敏感程度,決定了測量精度.用其阻值變化量與氣體濃度變化量之比來表示。②響應時間：從氣敏元件與被測氣體接觸，到氣敏元件的阻值達到新的恒定值所需要的時間稱為響應時間。它表示氣敏元件對被測氣體濃度的反應速度。③選擇性：區(qū)分氣體種類的能力稱為選擇性，選擇性是氣敏元件的重要參數(shù)，也是目前較難解決的問題之一。氣敏傳感器④穩(wěn)定性：穩(wěn)定性表示氣敏元件對于氣體濃度以外的各種因素的抵抗能力。⑤溫度特性：氣敏元件靈敏度隨溫度變化的特性稱為溫度特性。元件自身溫度對靈敏度的影響相當大，解決這個問題的措施之一就是采用溫度補償方法。⑥濕度特性：氣敏元件的靈敏度隨環(huán)境濕度變化的特性稱為濕度特性。濕度特性是影響檢測精度的另一個因素。解決這個問題的措施之一就是采用濕度補償方法。⑦電源電壓特性：氣敏元件的靈敏度隨電源電壓變化的特性稱為電源電壓特性，為改善這種特性，需采用恒壓源。氣敏傳感器4應用舉例(1)家用煤氣、液化石油氣泄漏報警器氣敏傳感器(2)瓦斯報警器適用于小型煤礦和家庭。它由氣敏元件和電位器RW組成氣敏檢測電路，555和其外圍元件組成多諧振蕩器。

氣敏傳感器(3)酒精測試儀：用來探測汽車尾氣的濃度，也常用來制作酒精測試儀。氣敏傳感器(4)自動換氣扇：采用氣體傳感器對廚房內(nèi)的的可燃性氣體進行檢測，根據(jù)檢測結果對換氣扇進行控制的一種自動裝置。它由氣敏傳感器、TWH8751開關集成電路、電源及換氣扇等組成。氣敏傳感器(5)自動抽油煙機：自動抽油煙機能感知廚房的油煙等所造成的室內(nèi)空氣污染，并自動開啟排風扇，排除油煙等有害氣體，凈化室內(nèi)空氣。離子敏傳感器隨著科學技術的發(fā)展，在生物學、臨床醫(yī)學、化學、環(huán)境保護等領域要求快速準確地檢測各種離子的活度顯得越來越重要，傳統(tǒng)的方法是采用離子選擇電極（ISE）法進行檢測量，但是因為設備體積大，輸出阻抗高,需要具有高輸入阻抗的離子計與之匹配進行測量，在實用中很不方便。半導體平面工藝技術的發(fā)展，出現(xiàn)了離子敏場效應晶體管（ISFET）使得檢測離子獲得新的手段。與ISE相比，ISFET具有體積小、響應快、輸出阻抗低、易于小型化、集成化等優(yōu)點，因而更具有生命力。離子敏傳感器1、離子選擇性電極（ISE）離子選擇電極法是使用離子選擇電極作指示電極的電位分析方法，離子選擇電極是一類化學傳感器，它的電位與溶液中特定離子活度的對數(shù)成線性關系。無論哪種離子選擇電極都具有一個感應膜（或稱敏感膜），它是離子選擇電極的最重要的組成部分，也是決定該電極性質(zhì)的主體。常用離子選擇電極結構主要包含有敏感膜和內(nèi)部標準溶液及內(nèi)部電極部分，稱它為離子選擇電極。離子選擇電極的結構簡圖離子敏傳感器玻璃膜電極是最早的離子選擇電極；以鹵素、銀離子及其他多種離子為對象的離子選擇電極相繼問世，鞏固了離子選擇電極以溶液中離子為對象的傳感器地位。離子選擇電極分析結構示意圖

在采用離子選擇電極法進行測量時，將合適的參比電極與離子選擇電極一起浸入試樣溶液中，其中離子選擇電極包含的特殊敏感膜，對溶液中某些離子的活度具有選擇性反應。在離子選擇膜兩邊就會產(chǎn)生一個電位差，在平衡狀態(tài)下，該電位依賴于樣品溶液中離子活度及內(nèi)參比溶液中離子的活度。根據(jù)奈斯特（Nemst）方程有：測得的電位差與樣品中被測離子的活度

有關。符合這一關系的電極被稱為表現(xiàn)出奈斯特效應的電極。將測得的電位差處理、放大、變換，便可以數(shù)字形式直接顯示出樣品中被測離子的活度

。離子敏傳感器同時浸入在溶液中的參比電極產(chǎn)生固定的參比電位

，通過一個高輸入阻抗的電位測量裝置測得電位差，它是離子選擇性電極的電位

之差與參比電極的電位,即將相關常數(shù)帶入得。離子敏傳感器2、離子敏場效應管（ISFET）ISFET傳感器是在金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）基礎上制成的，對特定離子敏感的離子檢測器件，是集半導體制造工藝和普通離子電極特性于一體的傳感器，其結構與普通的MOSFET類似。在ISFET中，由特定的離子敏感膜、被測電解液及參比電極代替了MOSFET的金屬柵極。讓敏感膜直接與被測離子溶液接觸，通過離子與敏感膜的相互作用，調(diào)制場效應晶體管的漏源電流的變化，達到檢測溶液中離子活度的目的。離子敏傳感器MOSFET的結構及漏—源電流特性N溝道增強型MOS晶體管的工作原理增強型NMOS管晶體管直流輸出特性

（1）（3）隨著的增加，沿溝道方向溝道截面積不相等的現(xiàn)象逐步表現(xiàn)出來。當增加到使漏端溝道截面積減小到零時，稱為溝道“夾斷”。

離子敏傳感器（2）若，漏源之間形成溝道，但如果漏源之間電壓較小時，源漏電流隨幾乎是線性增加的，此時

溝道夾斷

飽和區(qū)的溝道離子敏傳感器其中閾值電壓為飽和區(qū)的漏極電流為：ISFET類似于普通的MOSFET，因而具有類似的輸出特性。不同之處在于它沒有金屬柵極，柵介質(zhì)裸露或在其上涂敷對離子敏感的敏感膜，它與參比電極以及待測溶液一起起著柵電極的作用。離子敏傳感器ISFET的結構和工作原理離子敏傳感器參比電極上所加電壓（包括溶液與敏感膜之間的奈斯特電壓）通過待測溶液加到絕緣柵上，使半導體表面反型，形成導電溝道。如果參比電極上施加的電壓正好使半導體表面反型（），這時參比電極上的電壓稱為閾值電壓，用符號

表示。ISFET的閾值電壓為離子敏傳感器對于給定的ISFET和參比電極，可化簡為當ISFET工作在線性區(qū)，其漏—源電流表達式為帶入后：離子敏傳感器ISFET的性能參數(shù)①奈斯特（Nernst）響應：它的特點是溶液中離子活度的對數(shù)與ISFET的漏極電流（或輸出電壓）呈線性關系。②選擇系數(shù)：在實際的體系中，一般情況下，總是存在著多種離子。如果非待測離子也參與上述兩種過程，將對檢測產(chǎn)生干擾。為了進一步說明這個問題，采用如下普遍的Nernst方程：③線性范圍和檢測下限：線性范圍是指ISFET在測量過程中得到的校正曲線的直線部分。檢測下限是指ISFET在溶液中能夠測量待測離子的最低活度，也就是校正曲線的直線延長線和曲線的水平切線的交點C所對應的活度。④斜率、轉(zhuǎn)換系數(shù)及響應時間：Nernst響應范圍內(nèi)，待測離子的活度變化10倍時所引起電位的變化值。離子敏傳感器ISFET固態(tài)PH傳感器(美國ORION公司615700型離子選擇型FET固態(tài)pH電極)由于ISFET用氫離子敏感膜（絕緣層）代替了MOSFET的金屬柵，所以ISFET固態(tài)pH傳感器的參比電位及敏感膜電位代替了MOSFET中的金屬膜與半導體電位。當敏感膜與被測溶液接觸時，由于氫離子的存在，在敏感膜與溶液界面上感應出對氫離子敏感的奈斯特（Nernst）響應電位：由MOSFET的基本原理可知，使漏—源電流發(fā)生變化的重要參數(shù)之一是閾值電壓，因源極接地這里的閾值電壓就是指源、漏之間剛好導通時的柵源電壓。對于ISFET固態(tài)pH傳感器，柵源電壓與閾值電壓

可分別表示為

離子敏傳感器ISFET固態(tài)pH傳感器輸出特性曲線離子敏傳感器在ISFET的線性區(qū)能推導出：漏源電流與溶液的pH值呈線性關系。當漏源電壓恒定時，測定的變化，就可測出相應的pH值。615700型固態(tài)pH傳感器實際的參比電極為Ag/AgCl電極，周圍充有KCl凝膠體，通過多孔陶瓷與液體接觸，構成測量電極與參比電極的鹽橋。615700型pH電極的主要技術參數(shù)如下：測量范圍：0~14