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关于信号转换器第1页，讲稿共115张，创作于星期日 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器2第2页，讲稿共115张，创作于星期日一、电化学型信号转换器一、电化学型信号转换器 电化学电极作为生物传感器信号转换器，一般可分电化学电极作为生物传感器信号转换器，一般可分为两种类型：为两种类型：电位型电位型和和电流型电流型。电化学电极电化学电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电固体电极、离子选择性电极、气敏电极、修饰电极等极、修饰电极等)作为信号转换器已广泛用于酶传感器、作为信号转换器已广泛用于酶传感器、微生物传感器及其它类型的生物传感器中。微生物传感器及其它类型的生物传感器中。3第3页，讲稿共115张，创作于星期日1.1 电化学测量基础电化学测量基础1.1.测量系统测量系统 根据转变方式和输出电信号的不同，可根据转变方式和输出电信号的不同，可将电化学传感器分为：将电化学传感器分为：4第4页，讲稿共115张，创作于星期日图图2-1 原电池构成原电池构成5第5页，讲稿共115张，创作于星期日 电位型测量系统电位型测量系统在电极在电极/溶液界面上溶液界面上自发地发生化学反应，将被测化学量转变为电自发地发生化学反应，将被测化学量转变为电位信号的测定装置。位信号的测定装置。被测的化学量与电位之间的关系，符合能被测的化学量与电位之间的关系，符合能斯特方程：斯特方程：6第6页，讲稿共115张，创作于星期日图图2-2 电解电池构成电解电池构成7第7页，讲稿共115张，创作于星期日 电流型测量系统电流型测量系统外加电压下，在外加电压下，在电极电极/溶液界面上发生化学反应，将被测化学溶液界面上发生化学反应，将被测化学量转变为电流信号的测定装置。量转变为电流信号的测定装置。在一定条件下，其电流大小与离子浓在一定条件下，其电流大小与离子浓度成比例。度成比例。8第8页，讲稿共115张，创作于星期日 电导型测量系统电导型测量系统在外加电压下，将在外加电压下，将化学量转变成电导信号的测定装置。化学量转变成电导信号的测定装置。在离子浓度不大时，溶液的电导与离子在离子浓度不大时，溶液的电导与离子浓度成正比。浓度成正比。9第9页，讲稿共115张，创作于星期日1.2 基本基本概念概念 1.电离常数电离常数 Ionization constant 电离常数表示电解质电离能力的强弱电离常数表示电解质电离能力的强弱。AB表示平衡时未电离的分子浓度，表示平衡时未电离的分子浓度，A-和和B+表示平表示平衡时衡时A-和和B+离子的浓度。离子的浓度。10第10页，讲稿共115张，创作于星期日2.活度和活度系数活度和活度系数 Activity and activity coefficient 活度指电解质溶液的有效浓度。活度指电解质溶液的有效浓度。溶液浓度与活度之间的关系表示为：溶液浓度与活度之间的关系表示为：为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活度为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。通常的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。通常 0 0 1 1，当溶液无限稀释，当溶液无限稀释 。11第11页，讲稿共115张，创作于星期日 如如0.1mol/L的盐酸溶液中，的盐酸溶液中，H+的活度就等于的活度就等于0.0799mol/L，意思是说，意思是说，H+在化学反应起作用的在化学反应起作用的浓度是浓度是0.0799mol/L。12第12页，讲稿共115张，创作于星期日1.3 电极种类电极种类 电极是传感器非常重要的信号转换器，可电极是传感器非常重要的信号转换器，可分为：分为：13第13页，讲稿共115张，创作于星期日1.参比电极参比电极Reference electrode 参比电极参比电极测量电极电位时用作基准测量电极电位时用作基准电位的电极。电位的电极。常用参比电极：标准氢电极、甘汞电极、常用参比电极：标准氢电极、甘汞电极、电极。电极。14第14页，讲稿共115张，创作于星期日（1 1）标准氢电极）标准氢电极 氢电极作基准氢电极作基准测量电极电位，测量电极电位，精度一般可高精度一般可高达达10v，但，但实验室中不用实验室中不用，因其容易爆炸。因其容易爆炸。图图2-2 标准氢电极标准氢电极15第15页，讲稿共115张，创作于星期日（2）甘汞电极）甘汞电极 电极由电极由Hg和和 Hg2Cl2的糊状物浸入含有的糊状物浸入含有Cl-的溶液中，插入的溶液中，插入Pt导导线构成。放置在线构成。放置在KCl溶液中。溶液中。图图2-3 甘汞电极甘汞电极16第16页，讲稿共115张，创作于星期日25时甘汞电极的电极电位时甘汞电极的电极电位17第17页，讲稿共115张，创作于星期日（3）电极电极一种性能较好的一种性能较好的参比电极。它结参比电极。它结构简单，只需在构简单，只需在Ag丝上，镀上丝上，镀上一薄层一薄层AgCl，并浸入一定浓度并浸入一定浓度的的KCl溶液中便溶液中便制成电极制成电极。图图2-4 银银/氯化银电极氯化银电极18第18页，讲稿共115张，创作于星期日2.指示电极指示电极 Indicating electrode 指示电极指示电极根据电极电位的大小指示根据电极电位的大小指示出物质浓度的电极。出物质浓度的电极。包括离子选择性电极、气敏电极、金属或包括离子选择性电极、气敏电极、金属或非金属电极非金属电极(Au、Cu、Pt，石墨电极等，石墨电极等)。19第19页，讲稿共115张，创作于星期日 图图2-5 pH玻璃电极玻璃电极 20第20页，讲稿共115张，创作于星期日3.工作电极和辅助电极工作电极和辅助电极 Working electrode auxiliary electrode 工作电极工作电极在外加电压下电解时，根据其电解在外加电压下电解时，根据其电解电流的大小测定物质含量的电极。电流的大小测定物质含量的电极。辅助电极辅助电极电解时为测定电流构成回路所用的电电解时为测定电流构成回路所用的电极（对电极）极（对电极）。21第21页，讲稿共115张，创作于星期日图图2-6 测量系统测量系统22第22页，讲稿共115张，创作于星期日 三电极系统：三电极系统：包括工作电极、辅助电包括工作电极、辅助电极和参比电极（用于确定或控制工作电极极和参比电极（用于确定或控制工作电极的电极电位的大小）。的电极电位的大小）。二电极系统：二电极系统：参比电极兼作辅助电极参比电极兼作辅助电极时的构成方式。时的构成方式。23第23页，讲稿共115张，创作于星期日1.4 电位电位型换能器型换能器 电位型换能器是由指示电极和参比电极构成的测电位型换能器是由指示电极和参比电极构成的测量系统，在零电流条件下通过测量两个电极之间的量系统，在零电流条件下通过测量两个电极之间的电位差，实现待测物质含量测量。电位差，实现待测物质含量测量。24第24页，讲稿共115张，创作于星期日（一）离子选择性电极（一）离子选择性电极 Ion selective electrode(ISE)离子选择性电极离子选择性电极用用特殊敏感薄膜特殊敏感薄膜制作的对制作的对特定特定阳离子或阴离子呈阳离子或阴离子呈选择性响应选择性响应的电极的电极。离子选择性电极具有快速、灵敏、可靠、价廉离子选择性电极具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广。等优点，因此应用范围很广。25第25页，讲稿共115张，创作于星期日1.pH电极电极 氢离子活度对化学反应和生物化学反应有重要氢离子活度对化学反应和生物化学反应有重要的决定作用。有一些酶反应，涉及到氢离子的生成的决定作用。有一些酶反应，涉及到氢离子的生成和消耗，因此可用和消耗，因此可用pH玻璃电极作为某些生物传感器的玻璃电极作为某些生物传感器的信号转换器。信号转换器。26第26页，讲稿共115张，创作于星期日 图图2-7 pH电极测量系统电极测量系统27第27页，讲稿共115张，创作于星期日 （1）ISE的特点的特点 ISE的电极电位与特定离子活度的对的电极电位与特定离子活度的对数呈线性关系；数呈线性关系；ISE结构简单、测定快速、灵敏度高、结构简单、测定快速、灵敏度高、重复性好。重复性好。28第28页，讲稿共115张，创作于星期日（2）ISE的组成的组成29第29页，讲稿共115张，创作于星期日（3）ISE的特性的特性 30第30页，讲稿共115张，创作于星期日 检测极限检测极限 指电极所能检测离子的最低浓度。指电极所能检测离子的最低浓度。图图2-8 电极校准曲线及检测极限的确定电极校准曲线及检测极限的确定31第31页，讲稿共115张，创作于星期日 在在一一定定活活度度范范围围内内（CD段段）电电极极电电位位与与被被测测离离子子活活度度的的对对数数成成正正比比，当当被被测测离离子子活活度度逐逐渐渐减减小小时时，曲曲线线由由CD直直线线段段逐逐渐渐弯弯曲曲成成EF段段，电电极极电电位不为零，说明离子选择电极存在检测极限。位不为零，说明离子选择电极存在检测极限。极极限限值值的的确确定定是是根根据据CD与与EF延延长长线线相相交交点点对应的离子活度作为其检测极限。对应的离子活度作为其检测极限。钠电极：钠电极：10-6 mol/L；氯电极氯电极:510-6 mol/L。32第32页，讲稿共115张，创作于星期日 电位选择系数电位选择系数 指同一支电极对不同离子的选择性响应，表征指同一支电极对不同离子的选择性响应，表征ISE选择性的优劣。选择性的优劣。电极对各种离子的选择性可用电位选电极对各种离子的选择性可用电位选择系数表示。在择系数表示。在 中，中，A表示被测离子，表示被测离子，X表示干表示干扰离子。扰离子。33第33页，讲稿共115张，创作于星期日 钙钙电电极极用用于于测测Ca2+，但但其其对对Ba2+也也有有响响应应，因因此此是是测测量量时时的的干干扰扰离离子子，若若其其对对Ca2+的的响响应应为为Ba2+的的100倍倍，则则Ba2+对对Ca2+的干扰为的干扰为1/100倍，所以倍，所以:越小，表明干扰越小，电极的选择性越好越小，表明干扰越小，电极的选择性越好。34第34页，讲稿共115张，创作于星期日 响应时间响应时间 响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时间。响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时间。它与电极的种类及被测离子的活度、溶液的搅它与电极的种类及被测离子的活度、溶液的搅拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、参比拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、参比电极的稳定性等有关。电极的稳定性等有关。35第35页，讲稿共115张，创作于星期日 电极寿命电极寿命 电极寿命是指电极保持电极寿命是指电极保持Nernst响应的时间。主响应的时间。主要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理论电要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理论电势之比小于势之比小于0.9时，电极不宜再使用。时，电极不宜再使用。36第36页，讲稿共115张，创作于星期日2.碘电极碘电极 碘离子选择电极常用于有碘离子选择电极常用于有 生成的酶反应中，生成的酶反应中，碘离子与碘离子与 相遇，在过氧化物酶催化下，可快相遇，在过氧化物酶催化下，可快速发生如下反应：速发生如下反应：37第37页，讲稿共115张，创作于星期日（二）气敏电极（二）气敏电极 电位型气敏电极作为各种生物传感器的信电位型气敏电极作为各种生物传感器的信号转换器，使用较多的是氨气敏电极和号转换器，使用较多的是氨气敏电极和 气气敏电极。敏电极。38第38页，讲稿共115张，创作于星期日 1.1.氨气敏电极氨气敏电极 氨是酶反应中氨是酶反应中最常见的产物和最常见的产物和反应物，因此氨反应物，因此氨电极是常用的信电极是常用的信号转换器之一。号转换器之一。39第39页，讲稿共115张，创作于星期日 氨电极浸入碱性待测液时，待测液中的铵盐转化成氨电极浸入碱性待测液时，待测液中的铵盐转化成挥发性氨，经透气膜渗入内充液薄层发生如下反应：挥发性氨，经透气膜渗入内充液薄层发生如下反应：电位与待测溶液中氨的浓度符合能斯特方程。电位与待测溶液中氨的浓度符合能斯特方程。40第40页，讲稿共115张，创作于星期日2.二氧化碳电极二氧化碳电极 CO2气敏电极的结构由气敏电极的结构由pH玻璃电极和玻璃电极和Ag/AgCl 参比电极组成电池，用透气膜将中间溶液与被测溶液隔参比电极组成电池，用透气膜将中间溶液与被测溶液隔离开来。离开来。图图2-9 CO2气敏电极气敏电极41第41页，讲稿共115张，创作于星期日测定时溶液中的测定时溶液中的CO2通过透气膜进入溶液，而发生通过透气膜进入溶液，而发生下列反应：下列反应：42第42页，讲稿共115张，创作于星期日二氧化碳气敏电极在医学上的应用二氧化碳气敏电极在医学上的应用43第43页，讲稿共115张，创作于星期日44第44页，讲稿共115张，创作于星期日1.5 电流型换能器电流型换能器 输出直接与被测物浓度呈线性关系；输出直接与被测物浓度呈线性关系；电极输出值的读数误差较电位型电极小；电极输出值的读数误差较电位型电极小；灵敏度比电位型电极高。灵敏度比电位型电极高。常用的电流型电极常用的电流型电极有有O2 电极电极、电极电极、H2O2 电极电极及燃及燃料电池型电极等。料电池型电极等。45第45页，讲稿共115张，创作于星期日（一）（一）氧电极氧电极 各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，要用各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量可用氧电溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量可用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中使用很广。极在生物传感器中使用很广。46第46页，讲稿共115张，创作于星期日 氧电极是一个通过测定电解电流来测定氧电极是一个通过测定电解电流来测定溶液中氧含量的电解池。溶液中氧含量的电解池。有两种：开放式和封闭式。有两种：开放式和封闭式。47第47页，讲稿共115张，创作于星期日1.1.开放式氧电极开放式氧电极开放式氧电极测定氧的装置如图所示。开放式氧电极测定氧的装置如图所示。48第48页，讲稿共115张，创作于星期日 外加电解电压，当铂电极电位相对参比电极低外加电解电压，当铂电极电位相对参比电极低0.2V时，氧在铂丝上开始电解，此时电流计中有电时，氧在铂丝上开始电解，此时电流计中有电流指示。流指示。49第49页，讲稿共115张，创作于星期日 当铂电极相对参比电极低当铂电极相对参比电极低0.60.8V时，电流趋于恒定，时，电流趋于恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。此时的电流与溶液中氧含量成正比。50第50页，讲稿共115张，创作于星期日 Clark氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电极。氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电极。铂电极与铂电极与 电极组合在一起置于参比溶液中，与电极组合在一起置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。被测溶液之间用透氧膜隔开。此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到膜内电此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。2.2.封闭式氧电极封闭式氧电极(Clark氧电极氧电极)51第51页，讲稿共115张，创作于星期日Clark氧电极氧电极结构见图。结构见图。52第52页，讲稿共115张，创作于星期日3.3.氧电极在医学中的应用氧电极在医学中的应用 53第53页，讲稿共115张，创作于星期日54第54页，讲稿共115张，创作于星期日 二、二、H2O2电极电极 H2O2电极是根据电解氧化时所产生的电流输出来测定浓电极是根据电解氧化时所产生的电流输出来测定浓度的复合式电极。度的复合式电极。电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极一般电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极一般用金、白金，阴极一般用用金、白金，阴极一般用Ag/AgCl，渗透膜可用醋酸纤，渗透膜可用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及氯化钾与醋维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及氯化钾与醋酸缓冲液等酸缓冲液等。55第55页，讲稿共115张，创作于星期日两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制在电压在电压-电流曲线的平滑电流曲线的平滑部分，即部分，即0.7-0.9V，此时输，此时输出电流就与浓度成比例。出电流就与浓度成比例。阳极反应阳极反应阴极放应阴极放应 56第56页，讲稿共115张，创作于星期日H2O2电极基本测量电路和电压电极基本测量电路和电压-电流曲线电流曲线 57第57页，讲稿共115张，创作于星期日 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器58第58页，讲稿共115张，创作于星期日59二、离子敏场效应晶体管（二、离子敏场效应晶体管（ISFETISFET）ISFETISFET是把离子选择性敏感膜和是把离子选择性敏感膜和 FETFET相结合，将离子活度的化相结合，将离子活度的化学信息转化为电流或电压的变化。学信息转化为电流或电压的变化。P-Sip-SinnSDGFET结构结构2.1 2.1 结构与原理结构与原理ISFET结构结构P-Sip-SinnSD参比电极参比电极敏感膜敏感膜被测溶液被测溶液59第59页，讲稿共115张，创作于星期日FET工作原理工作原理P-Sip-SinnSDGVGSVDSIDFETFET工作原理工作原理:60第60页，讲稿共115张，创作于星期日61 反型层的形成反型层的形成 在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的电荷流动，并在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的电荷流动，并在栅极绝缘层下的在栅极绝缘层下的P P型半导体材料的表面大量积累负电荷而形成反型型半导体材料的表面大量积累负电荷而形成反型层。层。N N型沟道的形成型沟道的形成 栅源电压若大于阈值电压，栅极绝缘层下面将形成强反栅源电压若大于阈值电压，栅极绝缘层下面将形成强反型层，源漏极之间形成型层，源漏极之间形成N N型沟道。型沟道。漏电流的形成漏电流的形成 在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流通，电在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流通，电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电流，称作漏电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电流，称作漏电流，用流，用I ID D表示。表示。61第61页，讲稿共115张，创作于星期日62ISFET工作原理工作原理P-Sip-SinnSDVGSVDSID参比电极参比电极敏感膜敏感膜被测溶液被测溶液 2.2 ISFET工作原理工作原理 ISFET正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度测正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度测量的。量的。62第62页，讲稿共115张，创作于星期日63 敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅压敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅压上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方程，膜上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方程，膜电位的大小与溶液中的离子活度有关，即：电位的大小与溶液中的离子活度有关，即：63第63页，讲稿共115张，创作于星期日64 实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为 因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质变化来影因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质变化来影响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管为转换器件的半导响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管为转换器件的半导体生物传感器。体生物传感器。64第64页，讲稿共115张，创作于星期日652.3 特点特点 构造简单，体积小，便于批量制作，成本低；构造简单，体积小，便于批量制作，成本低；易微型化和多功能化；易微型化和多功能化；FETFET制作的敏感器件响应快，适用于自控监测制作的敏感器件响应快，适用于自控监测 和流程分析等。和流程分析等。65第65页，讲稿共115张，创作于星期日662.4 应用应用尿素的测定：尿素的测定：+66第66页，讲稿共115张，创作于星期日67双栅极酶-FET传感器67第67页，讲稿共115张，创作于星期日68葡萄糖的测定葡萄糖的测定：氟离子的测定氟离子的测定68第68页，讲稿共115张，创作于星期日 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器69第69页，讲稿共115张，创作于星期日70三、热敏电阻型信号转换器三、热敏电阻型信号转换器 热敏电阻热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的特性实现温度测量的阻抗元温度变化而变化的特性实现温度测量的阻抗元件。件。热敏电阻不仅在生物医学的温度测量、电热敏电阻不仅在生物医学的温度测量、电路元件的温度补偿等方面有着广泛的应用，而路元件的温度补偿等方面有着广泛的应用，而且可作为生物传感器的信号转换器，构成量热且可作为生物传感器的信号转换器，构成量热型生物传感器。型生物传感器。70第70页，讲稿共115张，创作于星期日713.1 结构与种类结构与种类 71第71页，讲稿共115张，创作于星期日72 半导体热敏电阻按其材料、性质的不同可半导体热敏电阻按其材料、性质的不同可分为三种类型：分为三种类型：PTC型型由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成，具有正的温度系数。而成，具有正的温度系数。单晶硅型单晶硅型温度系数为正。温度系数为正。NTC型型由某些金属氧化物的混合物高温烧由某些金属氧化物的混合物高温烧结而成，具有负的温度系数。通常用氧化钴、氧化结而成，具有负的温度系数。通常用氧化钴、氧化镍、氧化锰及其它氧化物构成的陶瓷半导体。镍、氧化锰及其它氧化物构成的陶瓷半导体。72第72页，讲稿共115张，创作于星期日733.2 热敏电阻的性能和参数热敏电阻的性能和参数 电阻电阻温度特性温度特性 Resistance-temperature characteristic 对对NTC型热敏电阻，在一定的温度范围内，其电阻型热敏电阻，在一定的温度范围内，其电阻温度特性为温度特性为 其中其中 RT 温度为温度为T时的电阻值时的电阻值 R0温度为温度为T0 时的电阻值时的电阻值 B热敏电阻常数热敏电阻常数 73第73页，讲稿共115张，创作于星期日74温度系数温度系数（相对灵敏度）（相对灵敏度）Temperature coefficient 热敏电阻的温度系数指单位温度变化引起的电阻值的热敏电阻的温度系数指单位温度变化引起的电阻值的相对变化量。相对变化量。（单位为（单位为K-1）温度系数是温度的函数，实质上反应热敏电阻的灵敏度温度系数是温度的函数，实质上反应热敏电阻的灵敏度的大小的大小,愈大，灵敏度愈高。愈大，灵敏度愈高。74第74页，讲稿共115张，创作于星期日75伏安特性伏安特性 Volt-ampere characteristicVolt-ampere characteristic 伏安特性指热敏电阻在达到热平衡后其端电压与电伏安特性指热敏电阻在达到热平衡后其端电压与电流之间的关系。表征热敏电阻工作状态的重要特性，可帮流之间的关系。表征热敏电阻工作状态的重要特性，可帮助正确选择热敏电阻的正常工作范围（工作电压）。助正确选择热敏电阻的正常工作范围（工作电压）。图2-7 NTC型热敏电阻的伏安特性75第75页，讲稿共115张，创作于星期日76耗散常数耗散常数 Dissipation constantDissipation constant 指热敏电阻在规定的环境温度下，由于自热而指热敏电阻在规定的环境温度下，由于自热而 每上升每上升11所消耗的功率，单位为所消耗的功率，单位为mw/mw/热时间常数热时间常数 Heat time constantHeat time constant 表示在零功耗条件下，环境温度发生阶跃变化时，热敏电表示在零功耗条件下，环境温度发生阶跃变化时，热敏电阻的温度变化达到终止温度的阻的温度变化达到终止温度的63.2%63.2%所需要的时间。它是描所需要的时间。它是描述热敏电阻热惰性的重要参数，也可以说是描述热敏电阻述热敏电阻热惰性的重要参数，也可以说是描述热敏电阻动态特性的物理量。动态特性的物理量。最高工作温度最高工作温度 Highest working temperatureHighest working temperature 指热敏电阻在保证其性能符合技术条件规定情况下指热敏电阻在保证其性能符合技术条件规定情况下能长期连续工作的最高温度。能长期连续工作的最高温度。76第76页，讲稿共115张，创作于星期日773.3 热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化 Linearization of thermistor 在恒流源激励下，以热敏电阻两端的电压在恒流源激励下，以热敏电阻两端的电压作为温度指示，可用一个经适当选择的电阻作为温度指示，可用一个经适当选择的电阻R RP P与与热敏电阻热敏电阻R RT T并联进行线性化。并联进行线性化。77第77页，讲稿共115张，创作于星期日78使并联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需并联使并联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需并联电阻值可由下式求出电阻值可由下式求出其中其中 温度为温度为 处处的电阻值的电阻值 78第78页，讲稿共115张，创作于星期日79 在恒压源激励下，以流过热敏电阻的电流在恒压源激励下，以流过热敏电阻的电流作为温度指示，可用适当选择的电导作为温度指示，可用适当选择的电导GsGs与与GTGT串串联联,实现电导与温度的非线性特性的补偿。实现电导与温度的非线性特性的补偿。79第79页，讲稿共115张，创作于星期日80 其中 温度为 处 的电导值 使串联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需串使串联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需串联电导（阻）值可由下式求出联电导（阻）值可由下式求出 80第80页，讲稿共115张，创作于星期日813.4 3.4 热敏电阻型生物传感器热敏电阻型生物传感器 凡有生物体反应的地方，大都可以观察到放热凡有生物体反应的地方，大都可以观察到放热或吸热反应的热量变化或吸热反应的热量变化(焓变化焓变化)。热敏电阻生物传感。热敏电阻生物传感器就是以测定生化反应焓变化作为测定基础。器就是以测定生化反应焓变化作为测定基础。若测量系统是一个绝热系统，借助于热敏电阻，可若测量系统是一个绝热系统，借助于热敏电阻，可根据对系统温度变化的测量实现试样中待测成分的测定。根据对系统温度变化的测量实现试样中待测成分的测定。81第81页，讲稿共115张，创作于星期日82图图2-8 酶热敏电阻的测量系统酶热敏电阻的测量系统 82第82页，讲稿共115张，创作于星期日 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器83第83页，讲稿共115张，创作于星期日四、压电晶体型信号转换器四、压电晶体型信号转换器4.14.1压电效应与逆压电效应压电效应与逆压电效应 压电效应压电效应某些电介质当沿一定方向施加作用力时，内部某些电介质当沿一定方向施加作用力时，内部会产生极化状态的变化，同时在电介质的两个端面上出现符号相会产生极化状态的变化，同时在电介质的两个端面上出现符号相反的，与外力成比例的束缚电荷，当外力去掉后，又重新恢复不反的，与外力成比例的束缚电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。具有压电效应的材料称其为压电体。带电状态的现象。具有压电效应的材料称其为压电体。84第84页，讲稿共115张，创作于星期日 逆压电效应逆压电效应指压电体在外加电场的作用下，指压电体在外加电场的作用下，其内部极化状态发生相应的变化，导致电介质出现其内部极化状态发生相应的变化，导致电介质出现与外加电场强度成正比的应变现象。与外加电场强度成正比的应变现象。85第85页，讲稿共115张，创作于星期日 常用的压电体材料有四种：常用的压电体材料有四种：压电晶体压电晶体 压电陶瓷压电陶瓷 压电高分子聚合物压电高分子聚合物 复合压电材料复合压电材料 其中压电晶体以石英晶体为代表，是生物传感器其中压电晶体以石英晶体为代表，是生物传感器信号转换器常用的材料。信号转换器常用的材料。86第86页，讲稿共115张，创作于星期日4.2 压电效应的产生机理压电效应的产生机理 1.1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体石英晶体(SiO(SiO2 2)之所以存在压电效应，与它的结构有关，之所以存在压电效应，与它的结构有关，石英晶体属六方晶系，为一正六面体结构。石英晶体有三个石英晶体属六方晶系，为一正六面体结构。石英晶体有三个晶轴。晶轴。垂直于晶胞平面的垂直于晶胞平面的Z Z轴轴光轴（中性轴）；光轴（中性轴）；穿过晶胞平面六边形对角顶的穿过晶胞平面六边形对角顶的X X轴轴电轴；电轴；垂直于六边形对边的垂直于六边形对边的Y Y轴轴机械轴。机械轴。87第87页，讲稿共115张，创作于星期日 (a a)石英晶体的外形石英晶体的外形 XY(b b)坐标系坐标系ZYZX 石英晶体石英晶体88第88页，讲稿共115张，创作于星期日+-YXXY+(a a)硅氧离子在硅氧离子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b b）等效为正六边形排列的投影）等效为正六边形排列的投影硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图 石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。图中图中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O2O2-2-。89第89页，讲稿共115张，创作于星期日Y+-X(a)FX=0P1P2P3 当当作作用用力力F FX X=0=0时时，正正、负负离离子子（即即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120120夹夹角角的的电电偶偶极极矩矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如如图图（a a）所所示示。此此时时正正负负电电荷荷中中心心重重合合，电电偶偶极极矩矩的的矢矢量量和和等等于于零零，即即P P1 1P P2 2P P3 30 0。（1 1）F FX X=0=090第90页，讲稿共115张，创作于星期日 晶体沿晶体沿X X 方向产生收缩，正、负电荷中心不再重方向产生收缩，正、负电荷中心不再重合。合。(P P1+1+P P2+2+P P3)3)X X00，(P P1+1+P P2+2+P P3)3)Y Y=0,=0,(P P1+1+P P2+2+P P3)3)Z Z=0=0，X X 轴的正向出现正轴的正向出现正电荷，在电荷，在Y Y、Z Z 轴方向轴方向则不出现电荷。则不出现电荷。FXXY+FX (b)FX 0+-P1P2P3（2 2）F FX X0 091第91页，讲稿共115张，创作于星期日 在在X X轴的正向出现负轴的正向出现负电荷，在电荷，在Y Y、Z Z方向则不方向则不出现电荷。出现电荷。（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+（3 3）F FX X 0 092第92页，讲稿共115张，创作于星期日Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+石英晶体产生压电效应原理图石英晶体产生压电效应原理图93第93页，讲稿共115张，创作于星期日 石英晶体受到石英晶体受到沿沿X轴方向的力轴方向的力Fx作用时，在作用时，在X方向产生方向产生正压电效应，而正压电效应，而Y、Z方向不产生方向不产生压电效应。压电效应。94第94页，讲稿共115张，创作于星期日 晶晶体体沿沿Y 轴轴方方向向受受力力FY作作用用下下的的情情况况与与FX相相似似。当当FY0时时，晶晶体体的的形形变变与与图图（b）相相似似；当当FY0时时，则与图（则与图（c）相似。）相似。95第95页，讲稿共115张，创作于星期日 由由此此可可见见，晶晶体体沿沿Y 轴轴方方向向受受力力作作用用时时，同同样样在在X方方向向产产生生正正压压电电效效应应，在在Y、Z方方向向则则不不产产生生压压电电效应，这就是为什么称效应，这就是为什么称 X 轴为电轴，称轴为电轴，称 Y 轴为机械轴。轴为机械轴。96第96页，讲稿共115张，创作于星期日 晶晶体体沿沿Z Z 轴轴方方向向受受力力F FZ Z的的作作用用下下，因因为为晶晶体体沿沿X X方方向向和和沿沿Y Y方方向向所所产产生生的的应应变变完完全全相相同同，所所以以，正正、负负电电荷荷中中心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢矢量量和和等等于于零零。这这就就表表明明，石石英英晶晶体体沿沿Z Z(即即光光轴轴)方方向向受受力力F FZ Z作作用用时时，晶晶体不产生压电效应，这就是为什么称体不产生压电效应，这就是为什么称Z Z 轴为光轴。轴为光轴。97第97页，讲稿共115张，创作于星期日FXFX+(a)(b)XX+(c)(d)FYFYXX 石英晶体压电效应效果图石英晶体压电效应效果图(a)(a)、(b)(b)为纵向压电效应效果为纵向压电效应效果(c)(c)、(d)(d)为横向压电效应效果为横向压电效应效果98第98页，讲稿共115张，创作于星期日 从从石石英英晶晶体体上上切切下下一一片片平平行行六六面面体体晶晶体体切切片片，使使它它的的晶晶面面分分别别平平行行于于X X、Y Y、Z Z轴轴，如如图图。在在垂垂直直X X轴轴方方向向两两面面用用真真空空镀镀膜膜或或沉沉积积法法得得到到电电极极面面，接接上上引引线线即即构构成压电传感器成压电传感器。zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)99第99页，讲稿共115张，创作于星期日4.3 4.3 压电晶体谐振频率变化公式压电晶体谐振频率变化公式 压电石英晶体谐振频率变化量与晶体表面均匀沉积的极薄压电石英晶体谐振频率变化量与晶体表面均匀沉积的极薄层刚性物质质量之间成正比，即层刚性物质质量之间成正比，即 是晶体吸附外来物质后谐振频率变化量（是晶体吸附外来物质后谐振频率变化量（Hz）；）；f0为压电晶体的固有频率为压电晶体的固有频率(MHz)；为石英晶体的密度（为石英晶体的密度（2.468g/cm2）；）；为为AT切割石英晶体的切变模量（切割石英晶体的切变模量（2.94710-11）；）；A为被吸附物所覆盖的面积（为被吸附物所覆盖的面积（cm2）；）；为附着层物质的质量变化为附着层物质的质量变化 100第100页，讲稿共115张，创作于星期日4.4 4.4 压电石英晶体传感器压电石英晶体传感器1.1.特点特点 仪器装置简单、成本低廉；仪器装置简单、成本低廉；灵敏度高、易自动化、使用范围广；灵敏度高、易自动化、使用范围广；可发展一类新的非标记的亲和型生物传感检测方法。可发展一类新的非标记的亲和型生物传感检测方法。101第101页，讲稿共115张，创作于星期日2.2.应用应用 压电免疫传感器压电免疫传感器 压电基因传感器压电基因传感器102第102页，讲稿共115张，创作于星期日 电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器103第103页，讲稿共115张，创作于星期日五、光电型换能器五、光电型换能器 光电换能器也称光敏传感器，是以光为媒介、光电换能器也称光敏传感器，是以光为媒介、以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的一种以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的一种能量转换器。能量转换器。104第104页，讲稿共115张，创作于星期日5.15.1光电型换能器的类型光电型换能器的类型 光电型传感器按照原理不同可分为光电型传感器按照原理不同可分为105