多媒體教案-電子信息材料-08-敏感材料-2009-spr

1、電子信息材料 -08敏感材料 第八章敏感材料 目錄 8.1 力敏材料 8.2 熱敏材料 8.3 壓敏材料 8.4 磁敏材料 8.5 濕敏和氣敏材料敏感材料的分類 力敏材料 熱敏材料 電壓敏感材料 磁敏材料 離子敏感材料 濕敏材料 氣敏材料 光敏材料 聲敏材料對傳感器用敏感材料的基本要求 1/ 對于某種特定變量（物理、化學、生物等變量）具有較高的敏感性，能夠迅速將微小的變化準確地、可重復地變換為相應的電信號輸出。 2/ 在一定條件下，除了對所指定的一種變量敏感外，對其余變量都不敏感，能在環(huán)境中存在多種變量的復雜情況下，準確攝取所指定的變量信息，也就是具有良好的選擇性且響應速度要快。 3/ 應該具

2、有良好的環(huán)境適應性。 檢測某種對象應該明白用那種相應的物理效應。檢測對象檢測對象所利用的物理效應所利用的物理效應應力壓電效應，PN結對壓力的響應溫度R-T關系，熱電效應光光電導、光伏效應、光電子發(fā)射磁霍爾效應、磁阻效應8.1 力敏材料 力敏材料用于力學量傳感器，主要用于測量力、加速度、扭矩、壓力、流量等物理量。這些量的測量都與機械應力有關。 力學量傳感器的種類繁多，有電阻式、電容式、變磁阻式、振弦式、壓阻式、壓電式、光纖式等。不同類型的力學量傳感器所涉及的原理、材料、特性及工藝也各不相同。8.1.1 金屬應變片材料金屬應變片材料 以金屬合金材料為主，結構簡單，性能可靠，使用方便，易于實現(xiàn)測試過

3、程自動化。 原理：金屬材料的電阻值隨其形變將發(fā)生改變，稱為電阻應變效應。金屬材料的電阻值相對變化量（R/R）在一定范圍內與材料的靈敏度系數(shù)K成正比，K標志著材料的力電轉換能力。 （R/R），為材料的軸向應變量 絲狀金屬未受外力作用時，（） 受到拉伸作用后，電阻值變化量為R，長度變化量為，截面積變化量為，電阻率變化量為。 將（）式微分，近似得到電阻值的相對變化率： R/R / 上式當中， /為材料的軸向應變，而我們令，為材料的泊松比 考慮到的定義式， （R/R），代入得到：（） 材料的靈敏度系數(shù)受兩個因素的影響：材料的靈敏度系數(shù)受兩個因素的影響： 1/ 材料的應變； 2/ 材料的電阻率的變化。

4、對于金屬或合金材料而言，哪一項是主要的，對于力敏半導體而言哪一項為主？ 金屬合金應變計大都采用箔式應變片，箔材以Cr-Ni合金和Cu-Ni合金為主，厚度為5-20m之間，應變電阻的阻值為120-600歐姆。8.1.2 半導體力敏材料半導體力敏材料 主要是單晶硅。 原理：當外力作用在單晶硅上后，其電阻率將發(fā)生顯著的變化，稱為壓阻效應。半導體力敏材料的力-電轉換指標是壓阻系數(shù)G。 單晶硅的靈敏度系數(shù)K與壓阻系數(shù)G和彈性模量E之間有以下關系： K=1+2+GE 對于金屬材料，GE項很小，泊松比的數(shù)值為0.25-0.50，故靈敏度系數(shù)K=1.5-2.0。 對于半導體材料，GE項比（1+2）大得多，G=

5、（40-80）10-11m2/N，E=1.6710-11Pa 靈敏度系數(shù)：K=50-100。8.1.3 薄膜力敏材料薄膜力敏材料 用真空濺射、蒸發(fā)、離子鍍等制薄膜等技術將材料直接沉積在襯底上，無需貼片工藝，減少了應變計的零漂、蠕變和機械滯后，增加了可靠性。 應該滿足的條件：1/ 電阻率要高。2/ 電阻溫度系數(shù)要小。3/ 材料與電極的接觸電勢要小。4/ 應變材料在測量范圍內不發(fā)生相變。 電阻率隨著溫度改變而發(fā)生變化的材料稱為熱敏電阻材料。這種材料被廣泛用于制造各種熱敏電阻器。8.2 熱敏傳感器 大家注意，我們現(xiàn)在討論的是某物理量隨著溫度而發(fā)生顯著變化的情況，不再是上一節(jié)課中隨應力而發(fā)生變化的情況

6、。元件名稱應用的物理原理典型材料熱電偶塞貝克效應PtRh/Pt，NiCr/NiAl電阻溫度計電阻率隨溫度變化 Pt、Cu、Mn和康銅等NTC熱敏電阻電阻率隨溫度減小 Mn、Ni、Co、Cu、Cr的混合氧化物PTC熱敏電阻電阻率隨溫度增大 半導體CTR （臨界溫度電阻器）臨界溫度特性VO2系列 實用熱敏傳感器元件名稱應用的物理原理典型材料晶體管傳感器 PN結的溫度特性Si磁熱敏傳感器 Tc附近M-T特性熱敏鐵氧體電容型Tc附近-T特性陶瓷（BaSr）TiO3壓電型電阻率隨溫度增大 水晶紅外線型光電效應PbS、Ge、MCT光纖型雙折射變化等石英玻璃NQR型核四極矩共振吸收 KClO3新型熱敏傳感器

7、1熱電溫度計(熱電偶) 將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。BAABNNekTTEln)(ABTT0k玻耳茲曼常數(shù)，e電子電荷量，T接觸處的溫度NA，NB分別為導體A和B的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(002 熱敏電阻傳感器 NTC型：半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。)11(00TTeRRRT NTC半導磁一般為尖晶石結構，AB2O4。 當B位置的陽離子為可以變價的陽離子時，也就是二價和三價的

8、離子均占據(jù)B位時，才能形成半導體。由于B位離子間距小，電子云重疊幾率大些，可以實現(xiàn)電子交換。而正尖晶石結構的晶體一般為大帶隙的絕緣體。 一定要注意我們所要面對的溫區(qū)：中、高溫還是低溫。對于NTC材料越低溫越靈敏還是越高溫越靈敏？ 臨界溫度電阻（CTR）熱敏材料 CTR材料是指具有突變電阻溫度特性曲線的材料，主要有Ag2S-CuS系和V系。一般來說，這類材料在相當窄的溫度區(qū)間內其電阻值有3-5個數(shù)量級的突變。其臨界溫度與組成密切相關。PTC材料： PTC材料是隨溫度上升而阻值增大的材料，最普遍的PTC熱敏電阻之一通常是在BaTiO3陶瓷中摻入稀土元素使之半導化而得到。 BaTiO3半導體陶瓷熱敏

9、電阻的工作機理：材料的勢壘高度與相對介電常數(shù)有關，在Tc以下，很高，勢壘很低。在Tc以上， -T關系服從居里外斯關系，并且大大降低，勢壘升高。這個勢壘是指晶粒邊界上的肖特基勢壘。BaTiO3半導體陶瓷室溫電阻率高，應用受限，近年來開發(fā)了V2O3系材料。3 3雙金屬片溫度計雙金屬片溫度計 把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉換成機械量變化。8.3 電壓敏材料利用材料的非線性伏安特性。電壓敏傳感器應用電阻值隨電壓而變化的元件。電壓敏感陶瓷的性質 電壓敏感陶瓷是指具有非線性伏安性，對電壓變化敏感的半導體陶瓷，它在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，幾乎沒有

10、電流通過，但是當外加電壓超過這個臨界電壓時，電阻將急劇變小，并且有電流通過。隨著電壓的少量增加，電流增加會很快。 應用領域：特殊的保安作用，大量應用于電氣設備的過流（過壓）保護電路以及避雷器等。 電壓敏感電阻的I-V特性服從下式：V=CI或者 I=KV、為電壓和電流的非線性系數(shù)，K、C為常數(shù) 1968年，日本松下電氣公司首先開發(fā)出ZnO壓敏電阻器。 現(xiàn)在，已經實現(xiàn)了從超小型的到巨型的；通流容量從幾安培到十萬安以上；涌浪吸收能量從焦耳級到達幾百千焦；工作電壓可以從幾伏到幾十萬伏特。目前壓敏陶瓷主要有SiC、TiO2、SrTiO3和ZnO四大類，但應用廣、性能好的當屬氧化鋅壓敏陶瓷。由于ZnO壓敏

11、陶瓷呈現(xiàn)較好的壓敏特性，在電力系統(tǒng)、電子線路、家用電器等各種裝置中都有廣泛的應用。 自七十年代日本首先使用ZnO無間隙避雷器取代傳統(tǒng)的SiC串聯(lián)間隙避雷器以來，國內外都相繼開展了這方面的研究。但氧化鋅壓敏陶瓷在高壓領域的應用還存在局限性。如生產高壓避雷器，則需要大量的ZnO壓敏電阻閥片疊加，不僅加大了產品的外形尺寸，而且高壓避雷器要求較低的殘壓比也極難實現(xiàn)，為此必須研究開發(fā)新的高性能高壓壓敏陶瓷材料。 ZnO系壓敏電阻陶瓷 ZnO壓敏電阻陶瓷材料，是壓敏電阻陶瓷中性能較好的一種材料。主要成分為ZnO，添加其他氧化物燒結而成。這些氧化物大都不是固溶于ZnO中，而是偏析在晶界上形成阻擋層。ZnO壓

12、敏陶瓷的顯微結構由三部分組成：由主晶相ZnO形成的導電良好的N型半導體晶粒；晶粒表面形成的耗盡的內邊界層，添加物所形成的絕緣晶界層。當外加電壓達到擊穿電壓時，電流急劇上升。 要保證制造過程的均勻一致性。磁敏電阻器是一種磁電變換元件，利用磁阻效應制成8.4 磁敏材料1883年，金屬導體的磁阻效應1951年，研究了強磁性薄膜的磁阻效應20世紀50年代，發(fā)現(xiàn)InSb和InAs等材料具有極高的遷移率，促進了磁敏電阻器的開發(fā)。20世紀60年代中期，國際市場上出現(xiàn)了磁敏電阻器。磁敏材料發(fā)展歷史磁敏電阻器與霍爾器件均屬于磁敏元件，但是前者結構簡單，并且可以集成，溫度系數(shù)可以變得很小。磁敏電阻器分為半導體磁敏

13、電阻器和強磁性薄膜磁敏電阻器。工作原理都是以磁阻效應為基礎。 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。 霍爾元件霍爾元件 電流傳感器電流傳感器 當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。 汽車速度測

14、量汽車速度測量:磁敏傳感器檢測限度)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ + lwx磁阻效應：材料的電阻值隨外加磁場的大小而變化。當在半導體材料上沿著與電流流向相垂直的方向加以外磁場時，由于霍爾電場和洛侖茲力的作用，電流與合成電場成一霍爾角流動，從而電流路徑增長，阻值增大。電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負無關；溫度系數(shù)影響大。 對于長寬比或形狀不同的磁敏電阻，其電極間電流流向的偏斜角不同，因此造成的電流路徑的長短將會有所差異，即磁阻效應的大小不同，此稱為幾何磁阻效應。InSb在不同溫度下的性能溫度 /K電子遷移率cm2/（V s）電阻率 cm霍爾系數(shù)RH cm3/C

15、78460 0000.0527 00030060 0000.005350強磁性薄膜磁敏材料 主體材料為強磁性薄膜，工作原理是以強磁性材料的磁阻效應為基礎。對于弱磁場的靈敏度很高，具有磁飽和特性。（磁各向異性效應。） 強磁體磁阻效應的基本特征：強磁性材料的磁化方向與電流方向的夾角不同時，其阻值將會發(fā)生變化。磁化方向垂直于電流方向時，阻值最小。 鎳-鐵合金薄膜：Ni含量低時，合金的結構與-Fe一樣，為體心立方結構；在鎳的質量分數(shù)大于30%后與Ni相同，為面心立方結構。在鎳的質量分數(shù)大于50%后磁化曲線為線性。 一些鎳基合金的/0的范圍在2-6%。 氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護

16、和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。 如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.81.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有對易燃、易爆氣體、酒精等的探測也非常重要。煙霧報警器煙霧報警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器8.5 氣敏和濕敏材料氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣敏傳感器是多數(shù)利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。 氣敏氧化物半導體材料，一般都具有多孔結構，氣體比較容易深入到材料內部，使其體電阻發(fā)生明顯改變。 目前，人們對于半導體

17、氧化物的氣敏工作機理尚不十分清楚，定型的模型有：原子價控制模型，表面電荷層模型等。 三氧化二鐵氣敏材料與可燃性氣體接觸時，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，這樣，材料的電阻率就發(fā)生了變化。當然，還原性的可燃氣體脫離后或濃度減小后，材料應該能夠復原，即反應應該是可逆的。ZnO氣敏材料 作為氣敏材料用的ZnO晶體中有氧空位和填隙鋅原子，它是一種N型半導體，以ZnO為主要原料制成的氣體傳感器對于C4H10、C3H8、H2和CO等可燃性氣體較敏感。加入某些增感劑后其靈敏度會更加改善。 對于兩個以上C原子的氣體檢測靈敏度高，而對于H2、CO和CH4的靈敏度則比較低。酒精傳感器酒精傳感器現(xiàn)實中傳感器的應用非常廣泛

18、倒車雷達倒車雷達超聲波檢測傳感器超聲波檢測傳感器 魚群探測器魚群探測器 光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移亮度傳感器：亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內部設定值相比通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內部設定值相比較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。達到節(jié)約電能的目的。半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 相機測距反射式光電傳感器相機測距反射式光電傳感器光纖流速傳感器光纖流速傳感器光纖檢測型光電傳感器光纖檢測型光電傳感器作業(yè)件檢測作業(yè)件檢測光纖傳感器光纖傳感器顏色檢測顏色檢測熱輻射檢測傳感器熱輻射檢測傳感器 絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度賴于物體溫度(K)(K)，服從普朗克輻射定律。，服從普朗克輻射定律。傳感器選用原則傳感器選用原則 選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面性范