生物医学传感化学传感器.pptx

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1、17:29:451化学传感器化学传感器定义定义定义定义：能将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质浓度、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。酸度计酸度计 环境检测环境检测 生化分析生化分析第1页/共70页17:29:452电化学传感器半导体气、湿敏传感器甘汞电极气敏传感器湿敏传感器pH玻璃电极第2页/共70页17:29:463 化学传感器是一门由化学传感器是一门由材料科学、超分子化学材料科学、超分子化学(分子分子识别识别)、光电子学、微电子学光电子学

2、、微电子学和和信号处理技术信号处理技术等多种学科等多种学科相互渗透成长起来的高新技术。相互渗透成长起来的高新技术。具有具有选择性好选择性好、灵敏度高灵敏度高、分析速度快分析速度快、成本低成本低、能在复杂的体系中进行能在复杂的体系中进行在线连续监测在线连续监测的特点；可以的特点；可以高度自高度自动化、微型化动化、微型化与与集成化集成化，减少了对使用者环境和技术的要，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测、求，适合野外现场分析的需求，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！食品、医药及国家安全等利用有着重要的应用价值！化学传感器

3、的特点第3页/共70页17:29:464 Zn(Zn(s s)+Cu)+Cu2+2+(aqaq)Zn)Zn2+2+(aqaq)+Cu()+Cu(s s)在溶液中电子直接从在溶液中电子直接从在溶液中电子直接从在溶液中电子直接从ZnZnZnZn片传递给片传递给片传递给片传递给CuCuCuCu2+2+2+2+，使，使，使，使CuCuCuCu2+2+2+2+在在在在ZnZnZnZn片上片上片上片上还原而析出金属还原而析出金属还原而析出金属还原而析出金属CuCuCuCu，同时，同时，同时，同时ZnZnZnZn氧化为氧化为氧化为氧化为ZnZnZnZn2+2+2+2+。这个反应同时有热量放出，这是化学能转化

4、为电能的这个反应同时有热量放出，这是化学能转化为电能的这个反应同时有热量放出，这是化学能转化为电能的这个反应同时有热量放出，这是化学能转化为电能的结果。结果。结果。结果。Daniell电池一、什么是电化学？第4页/共70页17:29:465 电化学反应：电化学反应：电化学反应：电化学反应：在在在在电极电极电极电极和和和和溶液界面溶液界面溶液界面溶液界面上进行电能与化学能之间的转变反应。上进行电能与化学能之间的转变反应。上进行电能与化学能之间的转变反应。上进行电能与化学能之间的转变反应。微观：微观：微观：微观：带电粒子如电子、离子的转移。带电粒子如电子、离子的转移。带电粒子如电子、离子的转移。带

5、电粒子如电子、离子的转移。实质：实质：实质：实质：氧化还原反应过程。氧化还原反应过程。氧化还原反应过程。氧化还原反应过程。所需介质：电极材料，溶液（电解质）第5页/共70页17:29:466电化学电化学电化学电化学(Electrochemistry)(Electrochemistry)(Electrochemistry)(Electrochemistry)：电化学主要是研电化学主要是研电化学主要是研电化学主要是研究究究究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律关规律关规

6、律关规律的科学。的科学。的科学。的科学。电能化学能电解电解电池电池定义：第6页/共70页17:29:4671 1、活度和活度系数、活度和活度系数活度：活度：把溶液中能够表现出离子性质和行为并能发挥把溶液中能够表现出离子性质和行为并能发挥作用的那部分离子浓度称为有效浓度，通常用活度作用的那部分离子浓度称为有效浓度，通常用活度a a表示。表示。活度系数：活度系数：活度活度a a与浓度与浓度c c的比值为离子的活度系数，的比值为离子的活度系数，用用表示。即表示。即a=ca=c离子平均活度离子平均活度离子平均活度系数离子平均活度系数平均活度与平均活度系数的关系平均活度与平均活度系数的关系二、电化学基本

7、概念第7页/共70页17:29:468从大量实验事实看出，从大量实验事实看出，从大量实验事实看出，从大量实验事实看出，影响离子平均活度系数影响离子平均活度系数影响离子平均活度系数影响离子平均活度系数的的的的主要因素是离子的主要因素是离子的主要因素是离子的主要因素是离子的浓度浓度浓度浓度和和和和价数价数价数价数，而且价数的影响，而且价数的影响，而且价数的影响，而且价数的影响更显著。更显著。更显著。更显著。1921192119211921年，路易斯（年，路易斯（年，路易斯（年，路易斯（LewisLewisLewisLewis）提出了）提出了）提出了）提出了离子强度离子强度离子强度离子强度的概的概的

8、概的概念。当浓度用质量摩尔浓度表示时，离子强度等念。当浓度用质量摩尔浓度表示时，离子强度等念。当浓度用质量摩尔浓度表示时，离子强度等念。当浓度用质量摩尔浓度表示时，离子强度等于：于：于：于：式中式中式中式中c c c ci i i i是离子的真实浓度，若是弱电解质，应乘是离子的真实浓度，若是弱电解质，应乘是离子的真实浓度，若是弱电解质，应乘是离子的真实浓度，若是弱电解质，应乘上电离度。通过上电离度。通过上电离度。通过上电离度。通过I I I I 可求得平均活度系数。可求得平均活度系数。可求得平均活度系数。可求得平均活度系数。第8页/共70页17:29:4792、电极电势和电动势Daniell电

9、池Cu（导线）|Zn板|ZnSO4溶液|CuSO4溶液|Cu板第9页/共70页17:29:4710电极电势的产生原理电极电势的产生原理 双电层理论双电层理论双电层理论双电层理论M活泼:溶解 沉积-+-M不活泼:沉积 溶解+-电极电势：电极电势：(M(Mn+n+/M),/M),电池电动势：电池电动势：E=E=(+)(+)-(-)(-)溶解沉淀第10页/共70页17:29:4711离子浓度对电势的影响离子浓度对电势的影响能斯特方程能斯特方程能斯特方程能斯特方程根据平衡时电化学势根据平衡时电化学势相等的原理相等的原理描述了浓度对电动势描述了浓度对电动势（包括电池电动势和电极电势）（包括电池电动势和电

10、极电势）的影响。的影响。德国化学家德国化学家W W 能斯特能斯特已知电池在使用过程中，电池的电动势会降低，这是因为在使用过程中电解液中离子浓度电解液中离子浓度发生了变化。第11页/共70页17:29:4712以以以以Cu-ZnCu-ZnCu-ZnCu-Zn原电池原电池原电池原电池为例，其电极反应为：为例，其电极反应为：为例，其电极反应为：为例，其电极反应为：Zn+CuZn+CuZn+CuZn+Cu2+2+2+2+=Zn=Zn=Zn=Zn2+2+2+2+Cu+Cu+Cu+Cu 通过热力学推导，可得电池的电动势：其中：其中：R R 为理想气体常数为理想气体常数(8.314J(molK)8.314J

11、(molK)-1-1)；F F 为法拉第常数为法拉第常数(96500Cmol96500Cmol-1-1)；T T 为热力学温度为热力学温度K K；n n 为电子转移数为电子转移数第12页/共70页17:29:4813对于任意反应：对于任意反应：对于任意反应：对于任意反应：aA+bB=dD+eEaA+bB=dD+eEaA+bB=dD+eEaA+bB=dD+eE电池的电动势为：电池的电动势为：电池的电动势为：电池的电动势为：此方程即此方程即能斯特方程能斯特方程。当当T=298 KT=298 K时，能斯特方程为：时，能斯特方程为：第13页/共70页17:29:48143.13.13.13.1标准氢电

12、极标准氢电极标准氢电极标准氢电极 任何一个电极，其电极电势的绝对值是无法测量的任何一个电极，其电极电势的绝对值是无法测量的但是我们可以选择某种电极作为基准，规定它的电但是我们可以选择某种电极作为基准，规定它的电极电势为极电势为零零，通常选择，通常选择标准氢电极标准氢电极作为基准。作为基准。电极反应：电极反应：2H2H+(aq)+2e(aq)+2e-H H2 2(g)(g)电电 对：对：H H+/H/H2 2 电极电势：电极电势：E E(H(H+/H/H2 2)=0.0000 V)=0.0000 V 表表 达达 式：式：H+H2(g)Pt3、电极类型第14页/共70页17:29:4815原电池的

13、电动势：原电池的电动势：E池 正负 阴阳 界面 界面 c1 盐桥 c2 界面 (-)Pt(-)Pt，H H2 2(10(105 5Pa)Pa)H H+(lmol L(lmol L-1-1)Cu)Cu2+2+(lmol L(lmol L-1-1)Cu(s)(+)Cu(s)(+)例：例：电池反应：电池反应：H H2 2+Cu+Cu2+2+2H2H+Cu+Cu电池符号：第15页/共70页17:29:4816甘汞电极甘汞电极甘汞电极甘汞电极n n 表示方法表示方法:Pt,Hg(l)|Hg Pt,Hg(l)|Hg2 2ClCl2 2(s)|Cl(s)|Cl-(2.8 mol L(2.8 mol L-1-

14、1)n n 电极反应电极反应:Hg Hg2 2ClCl2 2(s)+2e(s)+2e-2Hg(l)+2 Cl 2Hg(l)+2 Cl-(aq)(aq)n n 标准甘汞电极标准甘汞电极:c c(Cl(Cl-)=1.0 mol L)=1.0 mol L-1-1 (HgHg2 2ClCl2 2/Hg)=0.2628 V/Hg)=0.2628 Vn n 饱和甘汞电极饱和甘汞电极:c c(Cl(Cl-)=2.8 mol L)=2.8 mol L-1-1(KCl(KCl饱和溶液饱和溶液)(HgHg2 2ClCl2 2/Hg)=0.2415 V/Hg)=0.2415 V3.23.2参比电极参比电极第16页/

15、共70页17:29:4917银银/氯化银电极氯化银电极 在金属银丝或银片表面镀一层氯化银，浸在饱和的氯在金属银丝或银片表面镀一层氯化银，浸在饱和的氯化钾溶液中，就制成所需要的银化钾溶液中，就制成所需要的银-氯化银电极氯化银电极 表示方法：表示方法：Ag(s)|AgCl(s)|ClAg(s)|AgCl(s)|Cl-(c)(c)电极反应：电极反应：AgCl+eAgCl+e-Ag+Cl Ag+Cl-第17页/共70页17:29:49183.33.3指示电极、工作电极指示电极、工作电极n n指示电极指示电极用于测定过程中主体浓度不发生变化用于测定过程中主体浓度不发生变化的情况的情况 n n工作电极工作

16、电极用于测定工程中主体浓度会发生变化用于测定工程中主体浓度会发生变化的情况的情况 n n注意注意：指示电极用于表面被测离子的活度，故测量：指示电极用于表面被测离子的活度，故测量过程总不应有电流流过电极，否则电极表面离子活过程总不应有电流流过电极，否则电极表面离子活度将发生改变。度将发生改变。第18页/共70页17:29:49191.1.离子选择性电极（离子选择性电极（ISEISE）特性：特性：特性：特性：ISEISEISEISE的电位对溶液中给定的离子的活度的对的电位对溶液中给定的离子的活度的对的电位对溶液中给定的离子的活度的对的电位对溶液中给定的离子的活度的对数呈线性关系。数呈线性关系。数呈

17、线性关系。数呈线性关系。结构：结构：结构：结构：由内参比电极、内部标准溶液、离子选择性由内参比电极、内部标准溶液、离子选择性由内参比电极、内部标准溶液、离子选择性由内参比电极、内部标准溶液、离子选择性膜构成。膜构成。膜构成。膜构成。敏感膜敏感膜敏感膜敏感膜是其关键部件。是其关键部件。是其关键部件。是其关键部件。分类：分类：分类：分类：按膜的组成和性质分为按膜的组成和性质分为按膜的组成和性质分为按膜的组成和性质分为原电极原电极原电极原电极和和和和敏化电极敏化电极敏化电极敏化电极两两两两大类。其中，原电极又分为晶体膜电极（均相膜电大类。其中，原电极又分为晶体膜电极（均相膜电大类。其中，原电极又分为

18、晶体膜电极（均相膜电大类。其中，原电极又分为晶体膜电极（均相膜电极和非均相膜电极）和极和非均相膜电极）和极和非均相膜电极）和极和非均相膜电极）和 非晶体膜电极（刚性基质非晶体膜电极（刚性基质非晶体膜电极（刚性基质非晶体膜电极（刚性基质电极和流动载体电极）。电极和流动载体电极）。电极和流动载体电极）。电极和流动载体电极）。三、离子传感器第19页/共70页17:29:5020ISEISE结构结构参比电极参比电极内部基准液内部基准液玻璃薄膜玻璃薄膜液膜及载体液膜及载体固体膜固体膜离子传感器的构造离子传感器的构造第20页/共70页17:29:5021ISEISE的分类的分类ISE原电极原电极敏化电极敏

19、化电极晶体膜电极晶体膜电极LaFLaF3 3单晶膜、单晶膜、AgAg2 2S S膜等膜等非晶体膜电极非晶体膜电极非匀相膜电极非匀相膜电极刚性基质电极刚性基质电极流动载体电极流动载体电极离子选择性微电极离子选择性微电极匀相膜电极匀相膜电极第21页/共70页17:29:5022四、离子敏场效应晶体管四、离子敏场效应晶体管四、离子敏场效应晶体管四、离子敏场效应晶体管(ISFET)(ISFET)(ISFET)(ISFET)ISFETISFETISFETISFET是一种新型离子敏感器件是一种新型离子敏感器件是一种新型离子敏感器件是一种新型离子敏感器件 优点：优点：优点：优点：输入阻抗高、输出阻抗低、频带

20、宽；全固态结构、体积小、输入阻抗高、输出阻抗低、频带宽；全固态结构、体积小、输入阻抗高、输出阻抗低、频带宽；全固态结构、体积小、输入阻抗高、输出阻抗低、频带宽；全固态结构、体积小、机械强度大；响应速度快、可实现集成化和多功能化，是很有发展机械强度大；响应速度快、可实现集成化和多功能化，是很有发展机械强度大；响应速度快、可实现集成化和多功能化，是很有发展机械强度大；响应速度快、可实现集成化和多功能化，是很有发展潜力的一类新型化学传感器。潜力的一类新型化学传感器。潜力的一类新型化学传感器。潜力的一类新型化学传感器。第22页/共70页17:29:50231 1、场效应管的结构、场效应管的结构n 在在

21、P P型硅衬底上扩散两个型硅衬底上扩散两个n n+区区n n 将两个将两个n n+区用电极引出，作为源极（区用电极引出，作为源极（S S）和漏极（）和漏极（D D）n n 源极和漏极之间生成源极和漏极之间生成 SiOSiO2 2 绝缘层绝缘层n n 在绝缘层上蒸镀一层金属电极并引出，作为栅极（在绝缘层上蒸镀一层金属电极并引出，作为栅极（G G）(一一)场效应晶体管（场效应晶体管（FET)FET)第23页/共70页17:29:5024n n VGS使栅极下的P型衬底表面大量积聚电子而形成反型层2、场效应管工作原理场效应管工作原理VDSVGSIDGDS第24页/共70页17:29:5125n 当V

22、GSVTH时，形成强反型层，在S-D之间形成n型沟道。VDSVGSIDGDS2、场效应管工作原理场效应管工作原理第25页/共70页17:29:5126n若S和D之间施加电压，带电粒子将沿着该沟道流通，形成漏源极之间的沟道电流，又称作漏电流（ID）。VDSVGSIDGDS2、场效应管工作原理场效应管工作原理第26页/共70页17:29:5127uu 当当V VDSDS（V VGSGS V VT T）时（）时（场效应管工作在非饱和区场效应管工作在非饱和区):):3 3、漏电流的计算、漏电流的计算u 当当V VDS DS（V VGSGS V VT T）时（）时（场效应管工作在饱和区场效应管工作在饱和

23、区）：）：与场效应管结构有关的系数与场效应管结构有关的系数：场效应管漏电流ID 的大小与阈值电压VT 有关，特别是在VDS、VGS恒定的情况下，VT的变化将引起漏电流ID的变化。其中，W、L、n、Cox分别为沟道宽度、长度、沟道中电子的有效迁移率。第27页/共70页17:29:51281 1、离子敏场效应管的结构、离子敏场效应管的结构（二）离子敏场效应管（二）离子敏场效应管(ISFET)ISFET)n n 不同敏感膜对离子具有不同敏感膜对离子具有选择性选择性。n n 溶液与敏感膜直接接触，栅极用溶液与敏感膜直接接触，栅极用参考电极参考电极构成。构成。n n 溶液与敏感膜和参比电极同时接触，构成

24、完整的场效应管溶液与敏感膜和参比电极同时接触，构成完整的场效应管结构。结构。第28页/共70页17:29:5129参比电极被测溶液离子敏感膜n 在待测溶液和敏感膜的交界处将产生界面电位i，根据能斯特方程，界面电位的大小和离子的活度有关.第29页/共70页17:29:5230实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压：实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压：2 2、离子的浓度的测量、离子的浓度的测量VGS =VGS i ref参比电极电位ref+-界面电位i+-VGS第30页/共70页17:29:5231u 非饱和区：u 如果VGSVT，场效应管将因VGS的作用而导通，IDS为：u 饱和

25、区：Q QSSSS为场效应管等效表面态和氧化层电荷；为场效应管等效表面态和氧化层电荷；Q QD D为场效应管耗尽区单位面积电荷；为场效应管耗尽区单位面积电荷；C Coxox为场效应管单位面积的栅电容；为场效应管单位面积的栅电容；F F为场效应管为场效应管P P型衬底的体内费米能级型衬底的体内费米能级。其中，等效阈值电压为：其中，等效阈值电压为：第31页/共70页17:29:52323 3、离子敏场效应管特性、离子敏场效应管特性n 线性度：VDS和IDS恒定下的VGS与i的关系;也可以是VGS恒定下的IDS或VOUT与离子活度i之间的关系。第32页/共70页17:29:5233n 动态响应：离子

26、活度变化时，输出随时间而变化的情况。第33页/共70页17:29:5234n 迟滞：离子活度不同向变化条件下，输出的重复程度。第34页/共70页17:29:5235 ISFET以普通FET为基本，具有FET的优良特性，如转移特性、输出特性、击穿特性等。而作为离子敏器件，它还应满足敏感元件的一些基本特性要求。n 选择系数：相同的电气与外界条件下，引起相同界面电位的待测离子活度i与干扰离子的活度j之间的比值，用Kij表示。选择系数选择系数K Kijij越小，离子敏传感器的选择性越好。越小，离子敏传感器的选择性越好。ISFET上所用的离子敏感膜和用在ISE上的相同。不同的只是在测定溶液/膜的界面电位

27、时采用的线路不同而已。膜及其产生电位的机理相同。第35页/共70页17:29:5236(三三三三)ISFET)ISFET)ISFET)ISFET的结构和分类的结构和分类的结构和分类的结构和分类 ISFETISFETISFETISFET的的的的封封封封装装装装结结结结构构构构对对对对它它它它的的的的工工工工作作作作稳稳稳稳定定定定性性性性和和和和可可可可靠靠靠靠性性性性等等等等可可可可产产产产生生生生重重重重要要要要的的的的影影影影响响响响，因因因因而而而而有有有有必必必必要要要要了了了了解解解解一一一一下下下下ISFETISFETISFETISFET的的的的结结结结构设计，这主要包括：构设计，

28、这主要包括：构设计，这主要包括：构设计，这主要包括：探头式结构探头式结构探头式结构探头式结构 探针式结构探针式结构探针式结构探针式结构 导管复合式结构导管复合式结构导管复合式结构导管复合式结构 背面引线背面引线背面引线背面引线ISFETISFETISFETISFET结构结构结构结构 SOSSOSSOSSOS型结构。型结构。型结构。型结构。第36页/共70页17:29:5337(1)(1)(1)(1)探头式结构探头式结构探头式结构探头式结构 结构特点结构特点结构特点结构特点：有有有有软线式软线式软线式软线式和和和和硬杆式硬杆式两种，基本是将芯片粘两种，基本是将芯片粘两种，基本是将芯片粘两种，基本

29、是将芯片粘在绝缘材料或敷铜板上，与电极引线连接好后，在绝缘材料或敷铜板上，与电极引线连接好后，在绝缘材料或敷铜板上，与电极引线连接好后，在绝缘材料或敷铜板上，与电极引线连接好后，用硅橡胶或环氧树脂包封制造，此结构由于采用用硅橡胶或环氧树脂包封制造，此结构由于采用用硅橡胶或环氧树脂包封制造，此结构由于采用用硅橡胶或环氧树脂包封制造，此结构由于采用的是印刷电路制作工艺，比较易于实现并有利于的是印刷电路制作工艺，比较易于实现并有利于的是印刷电路制作工艺，比较易于实现并有利于的是印刷电路制作工艺，比较易于实现并有利于集成化集成化集成化集成化。第37页/共70页17:29:5338(2)(2)(2)(2

30、)探针式结构探针式结构探针式结构探针式结构结构特点结构特点结构特点结构特点：采用采用采用采用SiSiSiSi的各向异性腐蚀技术，将的各向异性腐蚀技术，将的各向异性腐蚀技术，将的各向异性腐蚀技术，将ISFETISFETISFETISFET器件制成针状，器件制成针状，器件制成针状，器件制成针状，将芯片装在探针前端，在敏感膜以外区域用无机钝化将芯片装在探针前端，在敏感膜以外区域用无机钝化将芯片装在探针前端，在敏感膜以外区域用无机钝化将芯片装在探针前端，在敏感膜以外区域用无机钝化膜包封，这样可做成端部宽度只有膜包封，这样可做成端部宽度只有膜包封，这样可做成端部宽度只有膜包封，这样可做成端部宽度只有30

31、50m3050m3050m3050m的的的的ISFETISFETISFETISFET；另外用等离子蚀刻技术还可制成端部达另外用等离子蚀刻技术还可制成端部达另外用等离子蚀刻技术还可制成端部达另外用等离子蚀刻技术还可制成端部达10m10m10m10m的的的的ISFETISFETISFETISFET。所以探针式结构的所以探针式结构的所以探针式结构的所以探针式结构的ISFETISFETISFETISFET对微量试液如胃液、淋巴液、对微量试液如胃液、淋巴液、对微量试液如胃液、淋巴液、对微量试液如胃液、淋巴液、婴儿血样等的分析较为适用婴儿血样等的分析较为适用婴儿血样等的分析较为适用婴儿血样等的分析较为适用

32、 。第38页/共70页17:29:5439(3)(3)(3)(3)导管复合式结构导管复合式结构导管复合式结构导管复合式结构结构特点结构特点结构特点结构特点：是将微型参比电极与：是将微型参比电极与：是将微型参比电极与：是将微型参比电极与ISFETISFETISFETISFET芯片共同芯片共同芯片共同芯片共同封装在一个导管中，使得测量可以一次性完成，封装在一个导管中，使得测量可以一次性完成，封装在一个导管中，使得测量可以一次性完成，封装在一个导管中，使得测量可以一次性完成，特别适用于体内液的测量。特别适用于体内液的测量。特别适用于体内液的测量。特别适用于体内液的测量。第39页/共70页17:29:

33、5440(4)(4)(4)(4)背面引线背面引线背面引线背面引线ISFETISFETISFETISFET结构结构结构结构结结结结构构构构特特特特点点点点：此此此此工工工工艺艺艺艺是是是是为为为为避避避避免免免免采采采采用用用用平平平平面面面面工工工工艺艺艺艺设设设设计计计计中中中中容容容容易易易易引引引引起起起起的的的的封封封封装装装装困困困困难难难难、敏敏敏敏感感感感膜膜膜膜容容容容易易易易被被被被极极极极化化化化失失失失效效效效等等等等缺缺缺缺点点点点而而而而设设设设计计计计的的的的：将将将将电电电电极极极极与与与与敏敏敏敏感感感感膜膜膜膜分分分分别别别别作作作作在在在在硅硅硅硅片片片片两

34、两两两面面面面，使使使使器器器器件件件件的的的的化化化化学学学学敏敏敏敏感感感感部部部部分分分分和和和和电电电电测测测测量量量量部部部部分分分分隔隔隔隔离离离离。此此此此结结结结构构构构性性性性能较好，发展潜力较大，但还不太成熟。能较好，发展潜力较大，但还不太成熟。能较好，发展潜力较大，但还不太成熟。能较好，发展潜力较大，但还不太成熟。第40页/共70页17:29:5441(5)SOS(5)SOS(5)SOS(5)SOS型结构型结构型结构型结构结构特点结构特点结构特点结构特点：是为了保证液体与晶体材料之间有良：是为了保证液体与晶体材料之间有良：是为了保证液体与晶体材料之间有良：是为了保证液体与

35、晶体材料之间有良好的绝缘性而设计的，是以蓝宝石为基底并在其好的绝缘性而设计的，是以蓝宝石为基底并在其好的绝缘性而设计的，是以蓝宝石为基底并在其好的绝缘性而设计的，是以蓝宝石为基底并在其上生成场效应管上生成场效应管上生成场效应管上生成场效应管FETFETFETFET，然后在它们的表面覆盖绝缘，然后在它们的表面覆盖绝缘，然后在它们的表面覆盖绝缘，然后在它们的表面覆盖绝缘层的制作方法。此结构包封简单，性能稳定且较层的制作方法。此结构包封简单，性能稳定且较层的制作方法。此结构包封简单，性能稳定且较层的制作方法。此结构包封简单，性能稳定且较为可靠。为可靠。为可靠。为可靠。第41页/共70页17:29:5

36、542（四）（四）ISFETISFET的应用的应用ISFETISFET可以用来测量离子敏电极所不能测量的生可以用来测量离子敏电极所不能测量的生物体中的物体中的微小区域和微量离子微小区域和微量离子。因此，它在生。因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工自控、矿山、地质、土壤、水文境保护、化工自控、矿山、地质、土壤、水文以及家庭生活等各个方面都有其作用。以及家庭生活等各个方面都有其作用。（1 1）对生物体液中无机离子的检测。）对生物体液中无机离子的检测。（2 2）在环境保护中的应用。）在环境保护中的应用。（3 3）在其它方面的应用）在

37、其它方面的应用。第42页/共70页17:29:5543五、气体传感器 定义：定义：气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系的电量输出的装置或器件定关系的电量输出的装置或器件。用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。医学测量常用的气体传感器有医学测量常用的气体传感器有电化学气体传感器电化学气体传感器、半导体气体传感器半导体气体传感器及及光导纤维气体传感器等光导纤维气体传感器等。目前实际使用最多的是目前实际使用最多的是半导体气体传感器。半导体气体传感器。第43页/共70页17:29:5544（一）电化学气体传感器（一）电

38、化学气体传感器 检测原理：检测原理：当当气体处在电极和电解质组成的电池中气体处在电极和电解质组成的电池中时，气体与电解质反应或在电极表面发生氧化时，气体与电解质反应或在电极表面发生氧化-还原反还原反应，而在两电极间输出电压或电流。通过检测电压或电应，而在两电极间输出电压或电流。通过检测电压或电流即可得知待测气体的浓度。流即可得知待测气体的浓度。一般分为一般分为气敏电极气敏电极和和气体扩散电极气体扩散电极两大类。两大类。气敏电极：气敏电极：测量一些溶解于溶液中的气体含量（如测量一些溶解于溶液中的气体含量（如血液中的氧气、二氧化碳含量）血液中的氧气、二氧化碳含量）气体扩散电极气体扩散电极：能直接测

39、量混合气体中的可燃性或：能直接测量混合气体中的可燃性或可氧化性气体。可氧化性气体。特点特点:电化学气体传感器结构简单、选择性好、响应快，广泛应用与医疗、环境监测及工业生产等领域。第44页/共70页17:29:55451.气敏电极（1 1）O O2 2电极电极(PoPo2 2电极）电极）第45页/共70页17:29:5546其电流大小与其电流大小与PoPo2 2呈线性关系呈线性关系第46页/共70页17:29:5647Clack电极第47页/共70页17:29:5648（2 2）COCO2 2电极电极(PcoPco2 2电极）电极）第48页/共70页17:29:5649（二）半导体气体传感器（二

40、）半导体气体传感器 当被测气体在半导体表面吸附后，将产生电子迁当被测气体在半导体表面吸附后，将产生电子迁移而引起其移而引起其电学特性电学特性(例如电导率例如电导率)发生变化。发生变化。根据半导体变化的物理性质，可分为根据半导体变化的物理性质，可分为电阻型电阻型和和非非电阻型电阻型两种。两种。特点：特点：灵敏度很高灵敏度很高，可达，可达1010-5-51010-3-3，也可检测，也可检测1/101/10爆炸下限的可燃性气体。爆炸下限的可燃性气体。成本低、寿命长、结构成本低、寿命长、结构简单简单等优点等优点 不足：还存在不足：还存在离散性大、稳定性及选择性差等离散性大、稳定性及选择性差等问问题。题

41、。第49页/共70页17:29:5650（1）电阻型气敏传感原理晶间电阻*受吸附气体浓度影响 *不受吸附气体的影响表面电阻*体电阻*1 1、电阻型气敏传感器、电阻型气敏传感器第50页/共70页17:29:5651n n 晶粒与晶粒相互接触的表面晶粒与晶粒相互接触的表面(即晶界即晶界)存在着势垒存在着势垒qVqVs s第51页/共70页17:29:5652n n当表面吸附还原性气体时当表面吸附还原性气体时获取气体原子中的电子，电子在半导体内束缚空穴，降低获取气体原子中的电子，电子在半导体内束缚空穴，降低空穴与电子的复合率，加强电子形成电流的能力。空穴与电子的复合率，加强电子形成电流的能力。材料导

42、电率提高，电阻减小材料导电率提高，电阻减小第52页/共70页17:29:5653n n当当SnOSnO2 2表面吸附氧化性气体（如表面吸附氧化性气体（如O O2 2）时）时吸附态的气体从晶粒表面俘获电子，增大了材料表面的吸附态的气体从晶粒表面俘获电子，增大了材料表面的电子势垒，使导带电子数目减少。电子势垒，使导带电子数目减少。材料导电率降低，电阻增加材料导电率降低，电阻增加第53页/共70页17:29:5654烧结型、薄膜型和厚膜型三种，敏感元件多为烧结型、薄膜型和厚膜型三种，敏感元件多为SnOSnO2 2。n n 结构结构烧结型薄膜型厚膜型第54页/共70页17:29:5655（2 2）电阻

43、式气敏传感器特性）电阻式气敏传感器特性n n 温度的影响温度的影响uu原原因因：通通电电前前，材材料料吸吸附附着着大大量量水水分分子子，通通电电后后的的一一段段时时间间内内，受受加加热热而而温温度度上上升升，电电阻阻值值增增加加；当当温温度度上上升升到到一一定的值之后，传感器吸附的水被蒸发，电阻值由高变低。定的值之后，传感器吸附的水被蒸发，电阻值由高变低。uu结论结论：气敏传感器的测量过程，应注意通电初期的过渡状态气敏传感器的测量过程，应注意通电初期的过渡状态第55页/共70页17:29:5656n n 湿度的影响湿度的影响uu在在潮潮湿湿空空气气中中(水水蒸蒸汽汽分分压压为为2.6102.6

44、103 3Pa)Pa)，传传感感器器的的电电导随温度的上升而增加。导随温度的上升而增加。uu200200之后，电导值随温度的之后，电导值随温度的上升而下降。上升而下降。uu因因此此，选选择择气气敏敏传传感感器器的的工工作作温温度度时时，应应尽尽可可能能选选择择较较高高的工作温度。的工作温度。uu600600之之后后，干干、湿湿空空气气(水水蒸蒸汽汽分分压压为为2102102 2Pa)Pa)的的电电导导值随温度的变化趋于一致。值随温度的变化趋于一致。第56页/共70页17:29:56572、MOSFET气敏传感器（非电阻型）（1）结构工作原理：工作原理：吸附于吸附于PdPd栅膜表面的氢分子分解为

45、氢原子，并扩散至栅膜表面的氢分子分解为氢原子，并扩散至SiOSiO2 2界界面，改变面，改变V VT T值。值。可可以以检检测测氢氢气气、含含有有氢氢原原子子、能能与与氢氢发发生生反反应应的的气气体体，例例如如氨氨气气(NH(NH3 3)、硫硫化化氢氢(H(H2 2S)S)、氧氧气气(O(O2 2)、一一氧氧化化碳碳(CO)(CO)等等。用用的的最最多多的是检测氢气。的是检测氢气。电阻率为1.2cm，重掺杂的n+型扩散能溶于氢气(H2)的金属,如钯(Pd)、铂(Pt)第57页/共70页17:29:5758n n氢气吸附于氢气吸附于PdPd栅膜表面，氢分子在栅表面迅速分解为氢原子栅膜表面，氢分子

46、在栅表面迅速分解为氢原子（2）原理n n氢原子向栅膜内扩散，一部分氢原子被吸附于氢原子向栅膜内扩散，一部分氢原子被吸附于PdPd栅膜与氧化物栅膜与氧化物(SiO(SiO2 2)界面界面n n在界面形成氢原子层，产生一定的氢原子偶极矩在界面形成氢原子层，产生一定的氢原子偶极矩n n导致界面金属导致界面金属(Pd)(Pd)的电子功函数的减小的电子功函数的减小n nPdPd栅膜与氧化物栅膜与氧化物(SiO(SiO2 2)界面的氢原子层还会影响到界面的氢原子层还会影响到SiOSiO2 2-Si-Si界面的界面的表面态密度。表面态密度。MOSFETMOSFET的阈值电压的阈值电压V VT T因此而变化。

47、因此而变化。氢原子+氢原子-第58页/共70页17:29:5759n n灵敏度灵敏度：阈值电压：阈值电压 V VT T与气体浓度的关系。与气体浓度的关系。（3 3）传感器的特性）传感器的特性150150，空气中氢气分压与晶体管阈电压变化，空气中氢气分压与晶体管阈电压变化 V VT T的关系曲线的关系曲线有氧气存在时，氢和氧分子在有氧气存在时，氢和氧分子在PdPd表面发生反应生成水分子，表面发生反应生成水分子，由于水分子吸附在由于水分子吸附在 PdPd表面，使氢的复盖系数减小。影响表面，使氢的复盖系数减小。影响器件的灵敏度。器件的灵敏度。第59页/共70页17:29:5760n n温度特性温度特

48、性：阈值电压随温度的变化关系：阈值电压随温度的变化关系uuPdPd栅气敏栅气敏FETFET的工作温度的工作温度最好选择在最好选择在150150附近。附近。uu室温和惰性气体中，传室温和惰性气体中，传感器有一定灵敏度，但响感器有一定灵敏度，但响应时间或恢复时间长。应时间或恢复时间长。uu氧的存在，使氧的存在，使PdPd表面形表面形成水分子，减少了钯成水分子，减少了钯-绝绝缘体界面处的有效氢原子缘体界面处的有效氢原子数，影响灵敏度。数，影响灵敏度。低于低于100100时，灵敏度很低。时，灵敏度很低。PdPd表面水分子的被蒸发，灵敏度迅速增加。表面水分子的被蒸发，灵敏度迅速增加。灵敏度随温度上升而缓

49、慢变化。灵敏度随温度上升而缓慢变化。第60页/共70页17:29:5861n n响应特性响应特性：器件对气体浓度的动态变化的响应能力。：器件对气体浓度的动态变化的响应能力。器件阈值电压器件阈值电压 V VT T的响应时间与的响应时间与Pd-SiOPd-SiO2 2界面处氢气界面处氢气的浓度达到稳定所需的时间有关，实际上最终取决于的浓度达到稳定所需的时间有关，实际上最终取决于氢在氢在PdPd、SiOSiO2 2和和SiSi中的中的扩散速度扩散速度。n n稳定性稳定性：阈值电压：阈值电压 V VT T随时间发生缓慢漂移的特性。随时间发生缓慢漂移的特性。Pd Pd栅长期吸附氢会使金属的晶格膨胀，在金

50、属和绝栅长期吸附氢会使金属的晶格膨胀，在金属和绝缘体界面产生应力，导致金属和绝缘体分开（即产生鼓缘体界面产生应力，导致金属和绝缘体分开（即产生鼓包），进而导致灵敏度下降。包），进而导致灵敏度下降。第61页/共70页17:29:5862气体传感器应用（1）家用可燃性气体报警（2）矿灯瓦斯报警器第62页/共70页17:29:5863（3）酒精监测报警器（4）烟雾报警器第63页/共70页17:29:5864酒精测试仪呼气管第64页/共70页17:29:5865家庭用煤气报警器第65页/共70页17:29:5866家庭用液化气报警器第66页/共70页17:29:5867一氧化碳传感器第67页/共70页