高分子传感材料-第一章课件.pptx

1、Nano Materials & Application LaboratoryMLAN高分子传感材料高分子传感材料Nano Materials & Application Lab.MLAN传感器定义传感器传感器(Sensor)的定义是：传感器是能感受规定的定义是：传感器是能感受规定的的被测量被测量并按照并按照一定规律一定规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置的器件或装置。通常通常由由敏感元件敏感元件和和转换转换器器组成。组成。敏感元件敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部是指传感器中能直接感受被测量的部分分，而，而转换器转换器可将可将敏感元件敏感元件输出的信号转换输出的信号转换

2、为为适合于传输和测量适合于传输和测量的信号。的信号。Nano Materials & Application Lab.MLANNano Materials & Application Lab.MLANFood IndustryMedical DiagnosticsMining, Industrial ProcessMilitary Environmental MonitoringSpace Habitat Air Quality传感器的应用领域广泛Nano Materials & Application Lab.MLAN敏感材料敏感材料敏感材料是指敏感材料是指对待测物（分子、电对待测物（分子、

3、电、光、声、光、声、力、热、力、热、磁等磁等) )的的微小微小变化变化而表现出而表现出性能明显性能明显改变改变的功能材料的功能材料。 Nano Materials & Application Lab.MLAN敏感材料分类金 属陶 瓷有 机复 合本课程主要针对有机以及复合材料开展Nano Materials & Application Lab.MLAN参考资料Nano Materials & Application Lab.MLAN参考资料Nano Materials & Application Lab.MLAN参考内容Nano Materials & Application Lab.MLAN参

4、考资料Nano Materials & Application Lab.MLAN参考资料Top J.Top J.Nano Materials & Application LaboratoryMLAN第一章第一章化学传感器的化学传感器的基本概念基本概念Nano Materials & Application LaboratoryMLAN 第一节第一节化学传感器的基本工作原理化学传感器的基本工作原理Nano Materials & Application Lab.MLAN传感器的基本工作原理 电化学传感器电化学传感器场效应晶体管传感器场效应晶体管传感器电导型传感器电导型传感器表面声波型传感器表面声

5、波型传感器质量敏感型传感器质量敏感型传感器光学传感器光学传感器电容传感器热电传感器热电导传感器磁感应传感器Nano Materials & Application Lab.MLAN1. 电化学传感器Nano Materials & Application Lab.MLAN 工作电极（阳极） 对电极（阴极）Nano Materials & Application Lab.MLANNano Materials & Application Lab.MLAN2.场效应晶体管场效应晶体管传感器传感器Nano Materials & Application Lab.MLAN主要测量信号VGSiDNano

6、Materials & Application Lab.MLAN例：FET氢气传感器Nano Materials & Application Lab.MLAN3. 电导电导型型传感器传感器D.CSiO2/Si substrateHeating传感材料电极Nano Materials & Application Lab.MLAN4. 表面波声型(SAW)传感器表面声波的传播速度和衰减与传播的环境和介质的参量有紧密的联系。由于表面吸附物质引起负载质量变化, 使表面声波的速度和频率发生变化。Nano Materials & Application Lab.MLANSAW SENSORNano Mat

7、erials & Application Lab.MLAN石英晶体微天平QCMNano Materials & Application Lab.MLAN5. 质量敏感型传感器质量敏感型传感器微悬臂梁化学传感器Nano Materials & Application Lab.MLAN6. 光学传感器表面等离子体表面等离子体共振（共振（SPR)技术技术Nano Materials & Application Lab.MLAN棱镜是棱镜是SPRSPR研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非吸收性的光学材料构成，其底部镀有厚度为非吸收性的光

8、学材料构成，其底部镀有厚度为50nm50nm左右的高反射率的左右的高反射率的金属薄膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在金属薄膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在SPRSPR传感器中，该传感器中，该电介质即为待测样品。由光源发出的电介质即为待测样品。由光源发出的p p- -偏振光以一定的角度偏振光以一定的角度0 0入射入射到棱镜中，在棱镜与金属的界面处将发生反射和折射。当到棱镜中，在棱镜与金属的界面处将发生反射和折射。当0 0大于临大于临界角界角c c时，光线将发生全内反射，即全部返回到棱镜中，然后，从时，光线将发生全内反射，即全部返回到棱镜中，然后，从棱镜的另一个侧面折射出去。棱镜的另一个

9、侧面折射出去。Nano Materials & Application Lab.MLAN在全内反射的情况下，电场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是在全内反射的情况下，电场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失波。该消失波沿向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失波。该消失波沿X轴方向传播轴方向传播的与表面平行的波矢分量的与表面平行的波矢分量kev为：为：通过调节通过调节0 或或a，可使，可使kev=kspw，消失波与表面等离子体波共振，即表，消失波与表面等离子体波共振，即表面等离子体子共振，有：面等离子体子共振，有：由上式可见，若入射光的波长一定，即由上式可

10、见，若入射光的波长一定，即a一定时，一定时，ns改变，则必须改变改变，则必须改变0以满足共振条件；若以满足共振条件；若0一定时，一定时，ns改变，则必须改变改变，则必须改变a以满足共振条以满足共振条件，这可通过改变入射光的波长件，这可通过改变入射光的波长来实现。此时来实现。此时0和和分别称为共振角和分别称为共振角和共振波长。共振波长。00sinsingagevckk220sinsmsmmsgannccNano Materials & Application Lab.MLAN 表面等离子体子共振的产生与入射光的角度表面等离子体子共振的产生与入射光的角度、波长、波长 、金、金属薄膜的介电常数属薄膜

11、的介电常数 s s及电介质的折射率及电介质的折射率n ns s有关，对于同一种有关，对于同一种金属薄膜，如果固定金属薄膜，如果固定，则，则 与与nsns有关；固定有关；固定 ，则，则与与nsns有有关。关。 如果将电介质换成待测样品，测出共振时的如果将电介质换成待测样品，测出共振时的或或 ，就可以，就可以得到样品的介电常数得到样品的介电常数 s s或折射率或折射率n ns s；如果样品的化学或生物；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起性质发生变化，引起n ns s的改变，则的改变，则或或 也会发生变化，这也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。样，检测这一变化就可获得样品性质

12、的变化。 固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的的SPRSPR光谱光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的到波长随反射率变化的SPRSPR光谱。光谱。SPRSPR光谱的改变反映了体系光谱的改变反映了体系性质的变化。性质的变化。Nano Materials & Application Lab.MLANNano Materials & Application LaboratoryMLAN 第二节第二节化学传感器的化学传感器的基本特性基本特性Nano Materia

13、ls & Application Lab.MLAN“4S”原则Sensitivity Selectivity SpeedStability Nano Materials & Application Lab.MLAN1. 灵敏度 (Sensitivity)传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值。量变化的比值。Nano Materials & Application Lab.MLAN2. 选择性（Selectivity）传感器从多种物质中分辨出待测目标，体现传感器的抗干扰能力。Nano Materials & Application Lab.MLAN3. 响应速度speedNano Materials & Application Lab.MLAN4. 稳定性（Stability) Nano Materials & Application Lab.MLAN其它性质要求