19/66
第11章化学传感器 气敏传感器的主要参数及特性
灵敏度：对气体的敏感程度 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 时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性； 同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性
组成： 接受器，具有分子或离子识别功能的化学敏感层。 作用：吸附、离子交换、选择等 物理形态：各种工艺制作的膜结构。 换能器，将敏感层的化学或物理变化转变成电或光信号。 结构形式多种多样。 接受器---------关键部件。 也有的化学传感器不能明显地分为上述组成成分。 如分光光度计等。
3/66
第11章化学传感器
17/66
第11章化学传感器
二、气敏传感器
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。
18/66
第11章化学传感器 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
9/66
第11章化学传感器
参比电极 | 待测溶液| 敏感膜 | 内部溶液 | 内部电极 Er E j Em Ea Em Er
E E E Ea Em Ej E r r m
10/66
第11章化学传感器 参比电极
参比电极（reference electrode）
在恒温恒压条件下，电极电位不随溶液中被测离子活度 变化而变化，具基本恒定值的电极。
0 Eox / red Eox / red
RT aox ln nF ared
0 Eox 1mol / l; 25C ) / red 标准电极电位（
R —气体常数；T —绝对温度（273+C）；F—法拉第常数， 96485（C/mol) n —电子转移数；aox —氧化态离子的活度；ared —还原态离子的活度（ared =1）。
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，失去运动能 量，一部分分子被蒸发掉，另一部分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。

G
F
D
检测下限
-lgai
检测下限：图中校正曲线的延线与非 Nernst 响应
区(弯曲部分) 切线的交点所对应的活 度。
13/66
第11章化学传感器
二、选择性系数 (selectivity coefficient)
定 义：ISE并没有绝对的专一性，有些离子仍可能有干扰。即离子选 择性电极除对特定待测离子有响应外，共存(干扰)离子亦会响
15/66
第11章化学传感器
ISE测量方法 直接测量方法（标准曲线——查曲线） 滴定法
Ex K 0.059 lg cx z
0.059 E' K lg cx ' z
c x' c xVx c sVs cV c x s s c x c Vx Vs Vs
zE 0.059
要求：温度稳定性好，湿度系数小，不受被测离子浓度 的影响 常用参比电极：氢电极，Ag/AgCl电极， Hg /Hg2Cl2电极
11/66
第11章化学传感器
指示电极（indicating electrode） 在电化学电池中借以反映待测离子活度、发生所需电化学反应 或响应激发信号的电极。 玻璃膜电极（PH）、固态膜电极（F）、液态膜电 极（Ca)、气敏电极(氨）等
c x c ( 10
1)
16/66
第11章化学传感器
离子敏感场效应管(ISFET)
离子敏感场效应管(ISFET) 它是将场效应晶体管稍作改装而成。 1) p 型硅作衬底+两个高掺杂的 ns 和 nd 区(s极和d 极)+ 涂 SiO2绝缘层(于ns和nd区之间的表面)作栅级(g) 2) Ugs=0, Uds>0, 此时p-nd间构成反向偏置，因d-s间无
6/66
第11章化学传感器
化学传感器与原电池的不同是盐桥的作用由敏感膜来代 替完成。
7/66
第11章化学传感器
E r
内电极
Er
Em
Ej
Ea
内部参比 a内
干玻璃 水化层 外部试液 a外 8/66
E m
第11章化学传感器
道南电位 将渗透膜放在浓度不相同的两溶液中间时，由于渗透膜允许 离子选择性通过，使得两溶液交盖面上的电荷分布不平衡，产生电位 差，称为道南电位。膜与溶液界面上的电位具有这一性质。 如果内充液和膜外面的溶液相同时，则中膜电位应为零。但实际上 仍有一个很小的电位存在，这个电位称为不对称电位。
一、离子敏传感器 离子敏传感器是指具有离子选择性的一类传感器，它能检 测出溶液中离子的种类、浓度（活度）。最简单的离子敏 传感器是离子选择电极（ISE）。 pH玻璃电极 氟离子选择电极 氨气敏电极 已经有20多种离子选择电极
按照接受器（敏感膜）来分，有玻璃膜，固态膜， 液态膜等；按照换能器来分，有：电极型、场效应 管型、光导纤维型、声表面波型等。
4/66
第11章化学传感器 原电池的组成： 电极 Zn-Zn2+ , Cu-Cu2+
外电路：导线联接电极
盐桥：U型管内有KNO3 ;
盐桥的作用：沟通内电路
5/66
第11章化学传感器
铜锌原电池: 负极：氧化反应 Zn - 2e= Zn+2 正极：还原反应 Cu+2+2e= Cu (1) (2)
每个电极反应中都有两类物质， 一类是可作还原剂的物质，称为还原态物质； Ag ;Cu ; Zn 另一类是可作氧化剂的物质，称为氧化态物质。 Ag+ ; Cu +2 ; Zn+2 氧化态物质和还原态物质用来组成电对，通常称为氧化还原电对， 并用符号“氧化态/还原态”表示。 Zn+2/Zn和Cu+2 /Cu
22/66
第11章化学传感器
从半导体气敏传感器的工作稳定性和可靠性考虑，一般不采用 非氧化物半导体材料，而只采用氧化物半导体材料制作所需的 气敏传感器，故此常简称为氧化物气敏传感器。 半导体材料：最常用的氧化物气敏传感器材料是N型氧化物， SnO ZnO 如 Fe O
2 2 3
23/66
第11章化学传感器
27/66
第11章化学传感器
（2）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（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 方法有三种 （a）电阻比灵敏度K （b）气体分离度
导电沟道，故Id=0
3) 当Ugs>0, g-p间形成电场，空穴受斥移向p内，而Uds 将载流子(电子)吸引到表面，形成导电沟道。 4) 用电极敏感膜代替栅极g，当此敏感膜与试液接触 时，其表面电荷分布改变，产生的膜电位迭加到s-g 上，从而使Id发生变化，该响应与离子活度之间的 关系遵循Nernst公式 。 5) 在栅极上涂PVC膜，可得到对K+，Ca2+，H+，X-等
12/66
第11章化学传感器
离子选择性电极性能参数
一、校正曲线 以ISE的电位对响应离子活度的负对数-lgax(或
pX) 作图, 所得曲线为标准校正曲线。如图。
C
Nernst 响应：如果该电极对待测物活度的响应符 合Nernst方程，则称为Nernst 响应。 线性范围：Nermst 响应区的直线所对应的浓度范 围。 级差：标准曲线的斜率。
规则总结：
氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降， 电阻增加 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加， 电阻减小 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加， 电阻减小 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降， 电阻增加
26/66
第11章化学传感器
半导体气敏元件的特性参数 （1）气敏元件的电阻值 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，表示为Ｒａ。一般其固有 电阻值在(103～105)Ω范围。 测定固有电阻值Ｒａ时, 要求必须在洁净空气环境中进行。 由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分 差别较大ห้องสมุดไป่ตู้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，其固有电阻值也都将出现差别。因 此，必须在洁净的空气环境中进行测量。
应，此时电极电位为:
0.059 zi / z j K lg( ai K ij a j ) zi j
i 为待测离子，j 为共存干扰离子。Kij 为离子选择性系数，其值越小， 表示ISE 测定 i 离子抗 j 离子的干扰能力越强。
14/66
第11章化学传感器
三、响应时间 定义：指离子指示电极(工作电极)与参比电极从接触试液开始到电极