小中大电化学传感器原理
电化学传感器技术及原理应用 发表时间:2006-8-11 基本原理 化学传感器主要由两部分组成:识别系统;传导或转换系统。 识别系统反待测物的某一化学参数(常常是浓度)与传导系统连结起来。它主要具有两种功能:选择性地与待测物发生作用,反所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此,化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号,并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式,传送到电子系统进行放大或进行转换输出,最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号,检测出样品中待测物的量。 化学传感器在环境与卫生监测中的应用
(一) 空气检验 1、湿度传感器 湿度是空气环境的一个重要指标,空气的湿度与人体蒸发热之间有着密切关系,高温高湿时,由于人体水分蒸发困难而感到闷热,低温高湿时,人体散热过程剧烈,容易引起感冒和冻伤。人体最适宜的气温是18~22℃,相对湿度为35%~65%RH。 在环境与卫生监测中,常用于湿球温湿度计、手摇湿温度计和通风湿温度计等仪器测定空气湿度。近年来,大量文献报道用传感器测定空气湿度。用于测定相对湿度的涂覆压电石英晶体用传感器,通过光刻和化学蚀刻技术制成小型石英夺电晶体,在AT 切割的10MHZ石英晶体上涂有4种物质,对湿度具有较高的质量敏感性.该晶体是振荡电路中的共振器,其频率随质量变化,选择适当涂层,该传感器可用于测定不同气体的相对湿度.该传感器的灵敏度、响应线性、响应时间、选择性、滞后现象和使用寿命等孝怪癖于涂层化学物质的性质。
1986年,德国 ErbenUwe[提出了一种测定湿度用的传感器,并获得专利。该传感器采用以硅为基体的金属-绝缘体-半导体(MIS)型结构。在MIS型结构中涂有二氧化硅和敏湿层,敏湿层的材料包含有金属氧化物、氧化物以及低极性组分的聚合物。敏湿材料的吸水量与每湿材料的相对介电常数的变化有关,该传感器可用准表态和支态两种方法进行测定,不过前者比后者更为方便省力,在空气调节系统、建筑工地和日常生活环境中都能监测、控制和调节湿度。
我国科技工作者采用最新研制的氧化钽薄膜湿敏电容,推出一种稳定性好,调节十分方便的通用湿度控制器。这种传感器可用于恒湿箱、计算机房、防湿机等许多场合的空气湿度监测,是一种性能价格比很高的通用型湿度传感器,有人利用磷酸盐涂膜的感湿性研制出性能十分可靠的湿度传感器。它的主要电极为不锈钢线材,直径0.4~1.0mm,表层涂有磷酸薄膜,在膜上再旋绕一层镀金丝作为主电极的对置电极,两电极间仅仅相隔一层20~50um厚的涂膜,距离大大小于一般的湿度传感器,响应速度得到提高,改变磷酸盐涂膜,又能制成特性不同的多种感湿元件。传感器工作期间,由于磷酸盐涂膜表面吸附水分而产生的离子在电极间来回运动,致使传导发生变化,从而显示感湿性。若对传感器元件加以交流负荷,则可借检测阻抗的变化测定出空气湿度。该传感器何种小,可封闭在注射器针关内,利用针尖可插入狭窄的被测处,使用方便,检测迅速,还可用于露点测定。 现在日本制造销售湿度传感器及湿度测量控制仪器的公司已超过30家。温度传感器数量大,品种多,使用的感湿材料有电解质陶瓷和有机高分子膜等,范围甚广,大部分检测精度高,结构简单,具有超小型化和集成化的特点。
2、氧化氮传感器 氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合物的总称,常以NOX表示。在氧化氮中,不同形式的氧化氮化学稳定性不同,空气中常风的是化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮,它们在卫生学上的意义显得较其它形式氧化氮更为重要。在环境分析中,氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。 我国监测氧化氮的标准方法是盐酸萘乙二胺比色法,方法灵敏度为0.25ug/5ml,方法转换系数受吸收液组成、二氧化氮浓度、采气速度、吸收管结构、共存离子及温度等多种因素的影响,目前沿末完全统一。传感器测定是近年发慌起来的新方法。 文献报道,用交指型栅极电极场效应晶体管的微电子集成电路与化学活性电子束蒸镀酞花青铜薄膜相结合,获得了新型气体敏感微传感器,可选择性检测mg/m3 级二氧化氮和二惜内基甲基膦酸盐(DIMP)。
它利用电压脉冲激发传感器,测量时域和频域响应,测定的峰形与归一化差分傅立叶变换频谱有关,能清晰地区分二氧化氮和DIMP的响应,每个峰面积可以相应地反应出传感器对特定气体浓度的灵敏度,科技人员研究了工作频率600MHZ的高频表面声波(SAW)气敏装置。该装置包括三个分离的SAW延迟线,它们是振荡电路的频率测定元件,在其表面涂了一层有机膜,作为气体吸附剂,该膜为1~15nm厚酞花青铅膜或由可溶酞花青铁衍生物组成的LB(Langmuir-Blodgett)膜。在吸附过程中,薄膜质量增加,引起表面波速的降低,随即引起振荡频率的降低,达到测定二氧化氮浓度的目的。 锡在高于熔点的温度下沉积,而镉在室温下沉积,利用加热蒸镀新方法可制得掺有1%~6%镉的二氧化锡薄膜。在520℃下缓慢氧化该膜,便形成了二氧化锡和氧化镉的多晶体,薄膜表面对低浓度氧化氮和二氧化氮有吸附。
在300℃条件下,该膜对10g/m3的一氧化氮和二氧化氮具有最高灵敏度,按电导率相对变化百分比计,其值分别为10000%和400%,相同条件下,对空气中0.01%的一氧化碳、甲烷、丁烷和氢气的灵敏度都在300%以下,这种基于掺镉二氧化锡薄膜组成的传感器,对氧化氮和二氧化氮的测定不仅灵敏度高,而且具有很好的选择性。半导体本花青膜的电导率对电子受体气体具有极佳的灵敏度,这一特点给人们提供了制造廉价、低能耗、体积小的二氧化氮传感器系统的理论基础。但是,这种膜用于传感器也有一缺点,如响应慢,在潮湿条件下,响应呈可逆地降低等。为此,WilsonA等人研制了一种微处理控制传感系统。该系统通过控制取样和传感器操作条件,获得可再现的动力学过程,从而把上述缺点带来的影响降低到了最低点。