高分子傳感材料第一章

1、Nano Materials & Application LaboratoryMLAN高分子傳感材料高分子傳感材料Nano Materials & Application Lab.MLAN傳感器定義傳感器傳感器(Sensor)的定義是：傳感器是能感受規(guī)定的定義是：傳感器是能感受規(guī)定的的被測(cè)量被測(cè)量并按照并按照一定規(guī)律一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)可用輸出信號(hào)的器件或裝置的器件或裝置。通常通常由由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器組成。組成。敏感元件敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分分，而，而轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器可將可將敏感元件敏感元件輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)

2、換輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為為適合于傳輸和測(cè)量適合于傳輸和測(cè)量的信號(hào)。的信號(hào)。Nano Materials & Application Lab.MLANNano Materials & Application Lab.MLANFood IndustryMedical DiagnosticsMining, Industrial ProcessMilitary Environmental MonitoringSpace Habitat Air Quality傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛Nano Materials & Application Lab.MLAN敏感材料敏感材料敏感材料是指敏感材

3、料是指對(duì)待測(cè)物（分子、電對(duì)待測(cè)物（分子、電、光、聲、光、聲、力、熱、力、熱、磁等磁等) )的的微小微小變化變化而表現(xiàn)出而表現(xiàn)出性能明顯性能明顯改變改變的功能材料的功能材料。 Nano Materials & Application Lab.MLAN敏感材料分類金 屬陶 瓷有 機(jī)復(fù) 合本課程主要針對(duì)有機(jī)以及復(fù)合材料開(kāi)展Nano Materials & Application Lab.MLAN參考資料Nano Materials & Application Lab.MLAN參考資料Nano Materials & Application Lab.MLAN參考內(nèi)容Na

4、no Materials & Application Lab.MLAN參考資料Nano Materials & Application Lab.MLAN參考資料Top J.Top J.Nano Materials & Application LaboratoryMLAN第一章第一章化學(xué)傳感器的化學(xué)傳感器的基本概念基本概念Nano Materials & Application LaboratoryMLAN 第一節(jié)第一節(jié)化學(xué)傳感器的基本工作原理化學(xué)傳感器的基本工作原理Nano Materials & Application Lab.MLAN傳感器的基本工作

5、原理 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器電導(dǎo)型傳感器電導(dǎo)型傳感器表面聲波型傳感器表面聲波型傳感器質(zhì)量敏感型傳感器質(zhì)量敏感型傳感器光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器電容傳感器熱電傳感器熱電導(dǎo)傳感器磁感應(yīng)傳感器Nano Materials & Application Lab.MLAN1. 電化學(xué)傳感器Nano Materials & Application Lab.MLAN 工作電極（陽(yáng)極） 對(duì)電極（陰極）Nano Materials & Application Lab.MLANNano Materials & Application Lab.MLAN2

6、.場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器傳感器Nano Materials & Application Lab.MLAN主要測(cè)量信號(hào)VGSiDNano Materials & Application Lab.MLAN例：FET氫氣傳感器Nano Materials & Application Lab.MLAN3. 電導(dǎo)電導(dǎo)型型傳感器傳感器D.CSiO2/Si substrateHeating傳感材料電極Nano Materials & Application Lab.MLAN4. 表面波聲型(SAW)傳感器表面聲波的傳播速度和衰減與傳播的環(huán)境和介質(zhì)的參量有緊密的聯(lián)系。由

7、于表面吸附物質(zhì)引起負(fù)載質(zhì)量變化, 使表面聲波的速度和頻率發(fā)生變化。Nano Materials & Application Lab.MLANSAW SENSORNano Materials & Application Lab.MLAN石英晶體微天平QCMNano Materials & Application Lab.MLAN5. 質(zhì)量敏感型傳感器質(zhì)量敏感型傳感器微懸臂梁化學(xué)傳感器Nano Materials & Application Lab.MLAN6. 光學(xué)傳感器表面等離子體表面等離子體共振（共振（SPR)技術(shù)技術(shù)Nano Materials &

8、Application Lab.MLAN棱鏡是棱鏡是SPRSPR研究中應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)耦合器件。棱鏡由高折射率的研究中應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)耦合器件。棱鏡由高折射率的非吸收性的光學(xué)材料構(gòu)成，其底部鍍有厚度為非吸收性的光學(xué)材料構(gòu)成，其底部鍍有厚度為50nm50nm左右的高反射率的左右的高反射率的金屬薄膜（一般為金或銀），膜下面是電介質(zhì)。在金屬薄膜（一般為金或銀），膜下面是電介質(zhì)。在SPRSPR傳感器中，該傳感器中，該電介質(zhì)即為待測(cè)樣品。由光源發(fā)出的電介質(zhì)即為待測(cè)樣品。由光源發(fā)出的p p- -偏振光以一定的角度偏振光以一定的角度0 0入射入射到棱鏡中，在棱鏡與金屬的界面處將發(fā)生反射和折射。當(dāng)?shù)嚼忡R中

9、，在棱鏡與金屬的界面處將發(fā)生反射和折射。當(dāng)0 0大于臨大于臨界角界角c c時(shí)，光線將發(fā)生全內(nèi)反射，即全部返回到棱鏡中，然后，從時(shí)，光線將發(fā)生全內(nèi)反射，即全部返回到棱鏡中，然后，從棱鏡的另一個(gè)側(cè)面折射出去。棱鏡的另一個(gè)側(cè)面折射出去。Nano Materials & Application Lab.MLAN在全內(nèi)反射的情況下，電場(chǎng)在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失，而是在全內(nèi)反射的情況下，電場(chǎng)在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失，而是向金屬介質(zhì)中傳輸振幅呈指數(shù)衰減的消失波。該消失波沿向金屬介質(zhì)中傳輸振幅呈指數(shù)衰減的消失波。該消失波沿X軸方向傳播軸方向傳播的與表面平行的波矢分量的與表面平行的波矢分

10、量kev為：為：通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)0 或或a，可使，可使kev=kspw，消失波與表面等離子體波共振，即表，消失波與表面等離子體波共振，即表面等離子體子共振，有：面等離子體子共振，有：由上式可見(jiàn)，若入射光的波長(zhǎng)一定，即由上式可見(jiàn)，若入射光的波長(zhǎng)一定，即a一定時(shí)，一定時(shí)，ns改變，則必須改變改變，則必須改變0以滿足共振條件；若以滿足共振條件；若0一定時(shí)，一定時(shí)，ns改變，則必須改變改變，則必須改變a以滿足共振條以滿足共振條件，這可通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)件，這可通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)0和和分別稱為共振角和分別稱為共振角和共振波長(zhǎng)。共振波長(zhǎng)。00sinsingagevckk220s

11、insmsmmsgannccNano Materials & Application Lab.MLAN 表面等離子體子共振的產(chǎn)生與入射光的角度表面等離子體子共振的產(chǎn)生與入射光的角度、波長(zhǎng)、波長(zhǎng) 、金、金屬薄膜的介電常數(shù)屬薄膜的介電常數(shù) s s及電介質(zhì)的折射率及電介質(zhì)的折射率n ns s有關(guān)，對(duì)于同一種有關(guān)，對(duì)于同一種金屬薄膜，如果固定金屬薄膜，如果固定，則，則 與與nsns有關(guān)；固定有關(guān)；固定 ，則，則與與nsns有有關(guān)。關(guān)。 如果將電介質(zhì)換成待測(cè)樣品，測(cè)出共振時(shí)的如果將電介質(zhì)換成待測(cè)樣品，測(cè)出共振時(shí)的或或 ，就可以，就可以得到樣品的介電常數(shù)得到樣品的介電常數(shù) s s或折射率或折射率n

12、 ns s；如果樣品的化學(xué)或生物；如果樣品的化學(xué)或生物性質(zhì)發(fā)生變化，引起性質(zhì)發(fā)生變化，引起n ns s的改變，則的改變，則或或 也會(huì)發(fā)生變化，這也會(huì)發(fā)生變化，這樣，檢測(cè)這一變化就可獲得樣品性質(zhì)的變化。樣，檢測(cè)這一變化就可獲得樣品性質(zhì)的變化。 固定入射光的波長(zhǎng)，改變?nèi)肷浣?，可得到角度隨反射率變化固定入射光的波長(zhǎng)，改變?nèi)肷浣?，可得到角度隨反射率變化的的SPRSPR光譜光譜；同樣地，固定入射光的角度，改變波長(zhǎng)，可得；同樣地，固定入射光的角度，改變波長(zhǎng)，可得到波長(zhǎng)隨反射率變化的到波長(zhǎng)隨反射率變化的SPRSPR光譜。光譜。SPRSPR光譜的改變反映了體系光譜的改變反映了體系性質(zhì)的變化。性質(zhì)的變化。Nan

13、o Materials & Application Lab.MLANNano Materials & Application LaboratoryMLAN 第二節(jié)第二節(jié)化學(xué)傳感器的化學(xué)傳感器的基本特性基本特性Nano Materials & Application Lab.MLAN“4S”原則Sensitivity Selectivity SpeedStability Nano Materials & Application Lab.MLAN1. 靈敏度 (Sensitivity)傳感器在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下輸出量變化對(duì)輸入傳感器在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下輸出量變化對(duì)輸入量變化的比值。量變化的比值。Nano Materials & Application Lab.MLAN