(2)ISFET是全固态化结构，体积小、重量轻、机械强度高。
(3)敏感膜很薄，≤100nm。水化时间很短,响应速度很快。
(4) ISFET是利用半导体集成电路工艺制造的，易将信息转换
放大与敏感器件集成在一块芯片上，系统智能化、小型化。
(5)由ISFET的结构特点可见，离子敏感材料与场效应晶体管的
漏源之间是互相绝缘的，是依靠敏感膜与绝缘体界面电位变化 来控制沟道中漏源电流变化的。
运动和整 个分子绕一个轴作
回转运动的能级迁
移，吸收取决于该 分子结构的特定波 长的光。测量这种 吸收光谱，则可判 别气体分子的种类； 测吸收强度就可知 道被测气体的浓度
7
固体电解质氧所传感器
• 它的测量原理是利用固体电解质的氧离子导电特性。
8 电阻式气敏传感器
•
电阻式气敏传感器是根据具有还原性的气体的浓度增加
保持清洁，而且没有过多镀层金属堆积。
①MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器
多孔陶瓷材料表面吸收水分三个阶段
1MgCr2O4-TiO2陶瓷湿敏传感器结构特性
②NiO陶瓷湿敏传感器
3 非水分子亲和力型湿敏传感器 (1)热敏电阻式湿敏传感器
①热敏电阻式湿敏感器的输出电压与绝对湿度成正比。
②传感器不用湿敏功能材料，因而不存在滞后误差。 ③理论上看，传感器的测湿响应速度应该是极其迅速的。 ④很难在宽的范围内电桥调平衡，湿敏传感器成本较高。
⑨加热电阻RH和加热功率PH
(2)Fe2 O3 系气敏传感器
γ—Fe2 O3 气敏传感器：示意图如下。
这种传感器对丙烷很敏感，但对甲烷不很敏感。
α—Fe2 O3 气敏传感器：示意图如下
它对甲烷和异丁烷很敏感，但对水蒸气和乙醇不灵敏。
4
接触燃烧式气敏传感器
• 在铂丝线圈上涂有氧化铝制成球状物烧结，再在外表面敷设 铂（Pt）、钯（Pd）和铑（Rh）等稀有金属催化剂。
特点；可以高度Βιβλιοθήκη 动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，在生物、医学、环境监测、食 品、医药及国家安全等利用有着重要的应用价值。
13.1 离子敏传感器
1 MOS管的结构和特性
工作原理：
N沟道：当UGS 大于导通电压时，D-S极导通；
P沟道：当UGS 小于导通电压0时，D-S极导通；
S G D B
金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和离 子敏场效应晶体管（ISFET）的比较
离子敏场效应管参数：
1、线性度。 2、动态响应。
3、迟滞。 4、选择系数。
4 ISFET的应用
• ISFET可以用来测量离子敏电极所不能测量的生物体 中的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领
域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工
(4)自动换气扇
采用气体传感器对厨房内的的可燃性气体进行检测，根 据检测结果对换气扇进行控制的一种自动装置。它由气敏传 感器、TWH8751开关集成电路、电源及换气扇等组成。
(5)自动抽油烟机
•自动抽油烟机能感知厨房的油烟等所造成的室内空气污染，
并自动开启排风扇，排除油烟等有害气体，净化室内空气。
• 按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。
• 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表 面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两大类 • 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表 面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两大类
2
半导体气敏传感器的工作原理 • 敏感元件为MOS结构，分为N型、P型和混合型三种。
• 敏感部分是MOS微晶烧结体，当它的表面吸附被检测
气体时，接触介面的导电电子比例就会发生变化， 使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而改变。 • 当氧化型气体吸附到N型半导体上，或还原型气体吸 附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻值
增大。相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，或
氧化型气体吸附P型半导体上时，将使载流子增多， 使电阻值下降。
时,其电阻值变小的原理而工作的。
9
氢敏MOS 场效应管
氢敏MOS场效应管的栅极用钯。
10 气敏传感器的应用 (1)家用煤气、液化石油气泄漏报警器
(2)瓦斯报警器 适用于小型煤矿和家庭。它由气敏元件和电位器RW组成气 敏检测电路，555和其外围元件组成多谐振荡器。
(3)酒精测试仪 •用来探测汽车尾气的浓度，也常用来制作酒精测试仪。
④电阻式湿敏传感器
它使用高分子固体电解质材料作感湿膜，利用导电性高分
子对水蒸汽的物理吸附作用引起电导率变化的原理工作的。 (4)金属氧化物膜湿敏传感器 利用Fe2O3 、Fe3O4、Al2O3 等研制金属氧化物膜湿敏传感器。 电阻式湿敏传感器和金属氧化物膜湿敏传感器结构一样
(5)金属氧化物陶瓷湿敏传感器
②树脂湿度传感器
加在树脂湿度传感器上的电压要低于0.8V，防止水电解。
③压电晶体湿敏传感器
涂敷在压电晶体上的覆盖薄膜有四种：聚合物硫酸； SiOX；按一定比例配制的环氧树脂；醋酸纤维。 应用这种传感器应注意： ①压电晶体湿度传感器的输出量是数字量；
②压电晶体尺寸不宜选得太大；
③。要选择合适的薄膜。
(Source)：源极 (Gate)：栅极 (Drain)：漏极 (Substrate):衬底
用半导体工艺制作的金属—氧化物—半导体场效应晶
体管。场效应管是一种电压控制器件，工作时，只有一种 载流子参与导电，因此它是单极型器件。常用的是绝缘栅
增强型 N沟道场效应管。
-
s
VGG
VDD
g
-d
id
二氧化硅
13.3 湿敏传感器
1 湿度与湿敏传感器的分类 (1)湿度 •湿度:大气中的水蒸汽的含量，即空气的干湿程度。
•绝对湿度:以每1m3大气所含水气的克数来表示。
•相对湿度:绝对湿度与饱和湿度之比。
•饱和湿度:指被测媒质的单位体积可能储水蒸汽的最大量。
•露点:保持压力下降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而 开始结露时的温度，称为露点温度（单位为0C）。
第13章 化学传感器
能将各种化学物质的特性（如气体、离子、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
的传感器称作化学传感器。
化学传感器是一门由材料科学、超分子化学、光电 子学、微电子学和信号处理技术等多种学科相互渗透成 长起来的高新技术。具有选择性好、灵敏度高、分析速 度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的
的。
1-参比电极 2-吹管
3-电解液
4-电解池（阴极） 5-垫圈
6-镀层（阳极）
7-波纹管吹气装置
2 主要部件
(1)参比电极：
是用一根清洁的纯银丝制成。当银丝和含 有酸性氯化物的电解溶液接触时，在银丝上就 会形成氯化银膜。要防止电极表面被“毒化”。 (2)吹管和空气搅拌器是电位测量的辅助部件。
(3)电解池（阴极）和垫圈的要求:电解池必须
这种传感器的工
作原理是将透过隔膜
而扩散吸收到电解液 中的被测气体进行电
解，测量电解时所形
成的电解电流，就可 知道被测气体的浓度， 由于各种被测气体的 固有电解电位是确定 的，不能任意选择， 选择被测气体受到限 制。
6
红外线气敏传感器 工作原理：由两个以上不同原子构成的气体分子，具有偶
极矩，当红外波段的光线照射它时，产生核间隔振动性的变化
转换为电信号。
•MOSFET场效应管是利用金属栅上所加电压大小来控制漏源电 流的；ISFET则是利用其对溶液中离子有选择作用而改变栅极 电位，以此来控制漏源电流变化的。敏感膜涂覆在MOS管的栅 极，对某些离子存在时改变栅极电位。
离子场效应管的结构示意图
外围共源电路
3 ISFET的特点和参数
ISFET具有以下特点： (1)ISFET具有MOSFET一样的输入阻抗高、输出阻抗低的特点。
(2)湿敏传感器的分类
水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的这种特
性称之为水分子亲和力。利用这一特性制成的湿敏传感器称 为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿敏 传感器称为非水分子亲和力型传感器。 (3)对湿敏传感器的基本要求
•①能满足所要求的湿度测量范围，且响应迅速
•②在各气体环境中特性稳定。 •③受温度的影响小，能在-30～100℃的环境温度中使用。 •④不受尘埃附着的影响。 •⑤工作可靠,互换性好,制造简单，价格便宜。
半导体 气敏元 件检测 到气体 时电阻
值发生
变化。
3 半导体气敏传感器的结构及特性 (1)SnO2气敏传感器 结构如图，它主要由SnO2 烧结
体、加热器、电极引线、塑料底座
及不锈钢丝网罩等部分组成。
SnO2 气敏元件的主要特性参数如下： ①固有有电阻R0和工作电阻RS
②灵敏度S
③响应时间tγes ④恢复时间tγec ⑤回路电压UC ⑥洁净空气中的电压U0 ⑦标定气体中的电压UCS ⑧电压比KV
• 测量电路为电桥，
• 气敏传感器主要用在可燃性气体测量及泄漏报警等装置上。
5 电化学式气敏传感器
恒电位电解式传感器：工作原理是通过隔膜，将扩散吸
收到电解液中的被测气体，使其电解来检测气体浓度，该电 解作用是在从外部加了特定电位的电极表面上进行的，只要 测定加在电极上的电位，可确定被测气体特有的电解电位。
(2)红外线吸收式湿敏传感器 • 水蒸汽可以吸收某波长的红外线，利用这个现象能够制成红 外吸收式湿敏传感器。光源发出的红外光经调制器调制后入 射至待测空气，光束穿过待测空气后被光敏元件接收。
(3)超声波式湿敏传感器
传感器的基本结构是在对置的超声波换能器之间加设一
个温度传感器。超声波换能器之一发送超声波，另一只接收 超声波。