材料化學(xué)chapter9-溫度傳感器

1、第九章 傳感器19.1 傳感器的介紹傳感器：“sensor”或者“transducer”，廣義上講傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱(chēng)。通常被測(cè)量是非電物理量，輸出信號(hào)一般為電量。傳感器通常是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺艿幕蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳播和測(cè)量的電信號(hào)的部分。2傳感器的基本組成3按輸入量分：輸入量即被測(cè)對(duì)象。 物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類(lèi)。 其中，物理量傳感器又可分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等。這種分類(lèi)方法給使用者提

2、供了方便，容易根據(jù)被例對(duì)象來(lái)選擇所需要的傳感器。按輸出量分： 傳感器按輸出量不同可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器兩類(lèi)。模擬式傳感器是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)為模擬量。數(shù)字式傳感器是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)為數(shù)字量。傳感器的分類(lèi)：4按基本效應(yīng)分： 根據(jù)傳感技術(shù)所蘊(yùn)涵的基本效應(yīng)，可以將傳感器分為物理型、化學(xué)型、生物型。 物理型是指依靠傳感器的敏感元件材料本身的物理特性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，如水銀溫度計(jì)。 化學(xué)型是指依靠傳感器的敏感元件材料本身的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，如氣敏傳感器、濕度傳感器。 生物型是利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，即依靠傳感器的敏感元件材料本身的生物效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換。待測(cè)物

3、質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定化生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息被相應(yīng)的化學(xué)或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)。如本部傳感器、免疫傳感器。傳感器的分類(lèi)：5 傳感器的輸入和輸出關(guān)系特性是傳感器的基本特性，也是傳感器的內(nèi)部參數(shù)作用關(guān)系的外部特性表現(xiàn)，不同的傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了它具有不同的外部特性。 傳感器所測(cè)量的物理量基本上有兩種形式：靜態(tài)(穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài))和動(dòng)態(tài)(周期變化或瞬態(tài))。 不同的傳感器具有不同的內(nèi)部參數(shù)，因此它們的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性就表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量結(jié)果也產(chǎn)生不同的影響。一個(gè)高精度的傳感器，必須要有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，從而確保檢測(cè)信號(hào)(或能量)的無(wú)失真轉(zhuǎn)

4、換使檢測(cè)結(jié)果盡量反映被測(cè)量的原始特征。傳感器的基本特性：69.2 氣敏傳感器 氣敏傳感器：能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感元件，它將氣體的種類(lèi)及濃度的有關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱獲得與檢測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況的有關(guān)信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警。其主要應(yīng)用領(lǐng)域見(jiàn)書(shū)中表9-57常見(jiàn)氣敏傳感器的類(lèi)型及特征8續(xù)表99.2.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器9.2.1.1 SnO2系列氣敏傳感器： 氧化錫是典型的n-型半導(dǎo)體，是氣敏傳感器的最佳材料。其檢測(cè)對(duì)象為甲烷、丙烷、一氧化碳、氫氣、酒精、硫化氫等可燃?xì)怏w和呼出氣體中的酒精、NOx等。氣敏檢測(cè)靈敏度隨氣體的種類(lèi)、工作溫度、催化劑等的不

5、同而差異很大。 可分為燒結(jié)型、薄膜型、厚膜等多種形式。10（1）燒結(jié)性SnO2氣敏傳感器 1.結(jié)構(gòu) 它是有芯片、基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。 根據(jù)加熱的方式不同，可分為直熱式和旁熱式。9.2.1.1 SnO2系列氣敏傳感器11直熱式SnO2氣敏元件： 其管芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在以SnO2為主要成分的燒結(jié)體中，埋兩根螺旋形鉑-銥電極，它兼作加熱器功能，電阻值為2-5。這種氣敏元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因消耗功率大、穩(wěn)定性差而應(yīng)用較少12旁熱式SnO2氣敏元件： 其管芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在一根內(nèi)徑為0.8um、外徑為1.2um的陶瓷管的兩端設(shè)置一對(duì)金電極及鉑-銥合金絲引出線，然后在陶瓷管的外壁涂覆以SnO2為基礎(chǔ)材料

6、的涂層，經(jīng)燒后形成氣體敏感層。并在陶瓷管內(nèi)放一電阻絲作為加熱器，電阻值一般為30一40。這種元件熱容量大，可靠性和壽命都較直熱式高，大部分SnO2氣敏元件采用了這種結(jié)構(gòu)。13（1）燒結(jié)性SnO2氣敏傳感器 2.原理 氧化錫(SnO2)傳感器的氣敏材料氧化錫一加熱，空氣中的氧就會(huì)從氧化錫半導(dǎo)體結(jié)晶粒子的施主能級(jí)中奪走電子，而在結(jié)晶表面上吸附著負(fù)電子，使表面電位增高，從而阻礙了導(dǎo)電電子的移動(dòng)，所以，氣敏傳感器在空氣中為恒定的電阻值。這時(shí)還原性氣體與半導(dǎo)體表面吸附著的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發(fā)生變化，因此，傳感器的電阻值要發(fā)生變化。對(duì)于還原性氣體，電阻值減?。粚?duì)于氧化性

7、氣體，則電阻增大。這樣，根據(jù)電阻值的變化就能檢測(cè)出氣體的濃度。14（1）燒結(jié)性SnO2氣敏傳感器 3.特性 15 燒結(jié)型SnO2氣敏傳感器是目前工藝上最成熟的氣敏傳感器，具有很高的熱穩(wěn)定性。這種傳感器在半導(dǎo)體表面層產(chǎn)生可逆氧化還原反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部的化學(xué)結(jié)構(gòu)不變，因此，長(zhǎng)期使用也可獲得較高穩(wěn)定性。其敏感體是用粒徑很小的粉體為基本材料，與不同的添加劑混合均勻，采用典型的陶瓷工藝制備，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。主要用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，如氫、CO、甲烷、丙烷、乙醇等，都有較高的靈敏度。敏感元件的工作溫度較低，約300 。16（2）薄膜SnO2氣敏傳感器 1.結(jié)構(gòu) 薄膜型SnO2氣敏元件是在絕緣基板上，

8、蒸發(fā)或?yàn)R射一層SnO2薄膜，再引出兩個(gè)電極而成.9.2.1.1 SnO2系列氣敏傳感器17（2）薄膜SnO2氣敏傳感器 2.特性 薄膜型SnO2氣敏元件工作溫度較低，在250左右，表面積較大，氣敏特性很好，特別是對(duì)一氧化碳和酒精靈敏度很高，但各氣敏元件之間性能差異較大。18（3）厚膜SnO2氣敏傳感器 1.結(jié)構(gòu) 厚膜型SnO2氣敏元件是把SnO2氣敏材料與一定比例的硅凝膠混制成厚膜膠，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)和厚膜混合集成電路工藝把氣敏元件與阻容元件制作在同一基片上，構(gòu)成具有一定功能的基片。9.2.1.1 SnO2系列氣敏傳感器ReO2Fe2O3氧化硅SnO2金電極金線19（3）厚膜SnO2氣敏傳感器

9、 2.特性 厚膜型SnO2氣敏元件采用厚膜制作工藝，器件的性能一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適合批量生產(chǎn)。20 除氧化錫類(lèi)氣敏傳感器外，還有氧化鋅類(lèi)傳感器、-三氧化二鐵類(lèi)傳感器等。 氧化鋅類(lèi)傳感器對(duì)一般還原性氣體的檢測(cè)靈敏度低，工作溫度高，約在400-5000C。為了提高ZnO的氣敏性，常常摻入一些貴金屬做催化劑，如摻入Pt可提高對(duì)乙烷、丙烷、異丁烷等碳?xì)浠衔锏撵`敏度。 -三氧化二鐵類(lèi)傳感器是一種體電阻控制型氣敏傳感器，其外形結(jié)構(gòu)與表面控制性SnO2完全相同，其特點(diǎn)就是不必加入催化劑，對(duì)某些氣體也有較高靈敏度，特別是對(duì)甲烷有很高的選擇性，使用與礦井瓦斯報(bào)警。其他半導(dǎo)體類(lèi)氣敏傳感器219.2.2 電

10、化學(xué)氣體傳感器 ZrO2氧傳感器二氧化鋯基本性質(zhì)： 高純二氧化鋯為白色粉末，含有雜質(zhì)是略帶黃色或灰色。ZrO2存在3種晶體結(jié)構(gòu)，及單斜（m）、四方（t）和立方（c）。加熱時(shí)發(fā)生相變： 1170 ZrO2(m)ZrO2(t) 2370 ZrO2 (t)ZrO2(c) 冷卻時(shí)發(fā)生逆相變： ZrO2 (t) ZrO2(m) 常常在純ZrO2中添加某些金屬氧化物，如CaO等堿土金屬氧化物或Y2O3等稀土氧化物，以抑制t-m的相變，是立方相或四方相在室溫條件下保留下來(lái)。這種處理稱(chēng)為ZrO2的穩(wěn)定化處理。22摻雜Y2O3后ZrO2的晶格特征： ZrO2晶格中，2個(gè)Zr4+周?chē)罱徲?個(gè)O2-，而加入Y2

11、O3后，Y3+置換了晶格上的Zr4+，為了保持電中性，2個(gè)Y3+周?chē)荒苡?個(gè)O2-，而置換前應(yīng)有4個(gè)O2-，這樣出現(xiàn)了一個(gè)氧離子空位。高溫下，當(dāng)ZrO2兩側(cè)存在氧濃度差或電壓時(shí)，這些氧離子空位可接受氧離子，使氧離子從一側(cè)相另一側(cè)定向移動(dòng)。23ZrO2氧傳感器的結(jié)構(gòu)及機(jī)理被測(cè)氣體中的O2多空鉑電極正在遷移的O2-離子氧含量恒定ZrO2-CaO24ZrO2氧傳感器的結(jié)構(gòu)及機(jī)理 根據(jù)能斯特方程測(cè)定被測(cè)氣體中的氧含量： 由Nernst方程的對(duì)數(shù)關(guān)系，在Ps遠(yuǎn)小于Pr時(shí)靈敏度較高，適用于低濃度氧的測(cè)定。25 把固體電解質(zhì)作為隔膜制成電化學(xué)電池，這種電池就能為氣體選擇性高的傳感器，目前已經(jīng)用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)于

12、空燃比控制的ZrO2-Y2O3氧傳感器。 見(jiàn)書(shū)中圖9-8. 二氧化鋯氧傳感器具有尺寸小，價(jià)格低，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)等方面得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)主要應(yīng)用于熱處理爐的氣氛控制、鍋爐的染料控制及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣、染料比控制和廢氣排放控制等。26 目前已經(jīng)開(kāi)始研制并開(kāi)發(fā)納米氧傳感器。納米氧傳感器具有常規(guī)氧傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn)： 納米固體電解質(zhì)有龐大的界面，可以提供大量的氣體通道，能顯著提高靈敏度； 納米固體電解質(zhì)具有很大的比表面積，可大大降低燒結(jié)溫度，提高固體電解質(zhì)的致密度，相應(yīng)地提高離子導(dǎo)電性，這樣可提高測(cè)量的靈敏度，并使工作溫度降至4000C 可有效減少傳感器尺寸。研究前沿279.2

13、.3 新型碳納米氣敏傳感器的研究進(jìn)展碳納米管氣敏傳感器： 具有中空結(jié)構(gòu)和大的壁表面積，對(duì)氣體有很強(qiáng)的吸附能力。由于吸附氣體分子與碳納米管之間的相互作用，從而引起它的費(fèi)米能級(jí)的變化，這樣電阻發(fā)生很大的改變，通過(guò)電阻變化的測(cè)定既可檢測(cè)氣體的成分。 289.2.4 氣敏傳感器的發(fā)展方向添加劑的使用新材料、新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用299.3 溫度傳感器309.3.1 熱電偶工作原理T0熱電動(dòng)勢(shì)：EABA金屬B金屬TTT0(a)1.熱電效應(yīng)：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，若兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同，該電路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱(chēng)之為熱電效應(yīng)。T0熱電動(dòng)勢(shì)：EABA金屬B金屬TTT0(b)V+-31

14、a.接觸電勢(shì)：當(dāng)兩種導(dǎo)電材料A和B接觸時(shí)，由于材料的電子密度不同，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子的擴(kuò)散，在接觸面上就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)，稱(chēng)為接觸電勢(shì)EAB。a.接觸電勢(shì)32b.單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)：?jiǎn)我粚?dǎo)體中，如果兩端溫度分別為t、和t0(tt0)，導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散。結(jié)果在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差E導(dǎo)(t、t0）。b.單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)33熱電偶體系中總的電勢(shì)差： 在總電動(dòng)勢(shì)中，溫差電動(dòng)勢(shì)比接觸電動(dòng)勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的總熱電勢(shì)可表示為：34 根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，任何兩種導(dǎo)體都可以組成熱電偶，用來(lái)測(cè)量溫度。但是為了保證在工程技術(shù)中應(yīng)用可靠，并具有足夠的精確度

15、，因此不是所有材料都能作為熱電偶材料。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用；非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶35標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶36續(xù)表37 在鋼鐵冶金工業(yè)中，微型熱電偶主要用于快速測(cè)定鋼、鐵金屬熔液的溫度和快速測(cè)定碳等。世界各國(guó)微偶用的電極絲，主要是0.1mm左右的PtRh10-Pt（S型）、PtRh30-PtRh6（B型）和PtRh13-Pt（R型）3種鉑銠測(cè)溫材料。389.

16、3.2 熱電阻熱電阻： 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類(lèi)，一般把金屬熱電阻稱(chēng)為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱(chēng)為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量-200oC一+850oC范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000oC。39常用制備熱電阻的材料 在實(shí)際應(yīng)用中，金屬材料做成熱電阻，要求: 測(cè)溫的金屬材料熔點(diǎn)要比較高，延展性要比較好，便于加工，具有良好的穩(wěn)定性，在大氣中不被氧化，具有盡可能大的和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率，最好成線性關(guān)系曲線等。 常用的熱電阻金屬材料主要是鉑、鎳、銅以及它們的某些合金。40電阻

17、變化率與溫度的關(guān)系曲線41常用制備熱電阻的材料 a. 鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱阻的使用溫度范圍為-200oC+850oC。 鉑熱電阻的特性方程：-200-0oC范圍：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0-850oC范圍：Rt=R01+At+Bt2 Rt-t不成線性關(guān)系。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R010和R0l00兩種，它們的分度號(hào)分別為Ptl0和Ptl00，其中以Ptl00為常用。42常用制備熱電阻的材料 b. 銅熱電阻 在一些測(cè)量精度要求不高以及溫度比較低的場(chǎng)合，可以采用銅熱電阻代替鉑貴金屬

18、熱電阻，測(cè)量溫度范圍為-50+150oC。銅熱電阻在測(cè)量溫度范圍內(nèi)電阻和溫度幾乎成線性關(guān)系。 Rt=R01+at a為銅熱電阻的溫度系數(shù)，一般取4.28X10-3/oC43熱電阻的結(jié)構(gòu) 熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等部分組成。449.3.3 熱敏電阻熱敏電阻： 熱敏電阻是電阻隨溫度變化而顯著變化的半導(dǎo)體電阻，通?？煞郑?正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)，隨著溫度的升高，半導(dǎo)體材料中的載流子遷移率降低，電阻率增大； 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，隨著溫度的升高，半導(dǎo)體材料中載流子濃度增大，電阻率降低。 臨界溫度電阻或叫驟變溫度電阻(CTR). 45各種熱敏電阻的電阻-溫度特

19、性曲線46 可以測(cè)量變化范圍不大的溫度，如海水溫度、人體溫度等。此外，用熱敏電阻還能控制溫度，特別是PTC和CTR熱敏電阻當(dāng)其工作在居里點(diǎn)附近可以直接側(cè)溫、控溫，如火災(zāi)報(bào)警、過(guò)熱保護(hù)等。熱敏電阻的實(shí)際應(yīng)用用NTC熱敏電阻測(cè)量流體流速和流量。主要利用溫度檢測(cè)法和耗散因數(shù)測(cè)定法，不過(guò)后一種方法工作點(diǎn)應(yīng)在特定的負(fù)阻區(qū)。47用NTC和PTC熱敏電阻測(cè)量液位。利用元件在空氣中和液體中的耗散系數(shù)不同的原理進(jìn)行測(cè)量。 家用電器中PTC熱敏電阻可用于控制溫度。電流通過(guò)元件后引起元件溫度升高，當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，由R-T特性曲線可知，電阻增大，則電流下降，相應(yīng)元件溫度亦降低，電阻值增加，電流降低，如此重復(fù)，這樣

20、元件本身就起到了自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度作用。48 利用PTC熱敏電阻可做成恒流電路和恒壓電路。通常電阻兩端電壓增加，其電流亦同時(shí)增加，而PTC熱敏電阻具有正阻特性，因此將一般電阻與PTC電阻并聯(lián)，可在某一電壓范圍內(nèi)使電流不隨電壓變化而構(gòu)成恒流電路。若PTC電阻與一般電阻串聯(lián)，則可構(gòu)成恒壓電路。 NTC、PTC、CTR這幾種熱敏電阻雖然都是電阻率隨溫度變化而發(fā)生變化，但變化的方向不同，變化的機(jī)制也不完全相同。49（1）NTC熱敏電阻 NTC熱敏電阻具有較寬的變化范圍。在很大的溫度區(qū)域內(nèi)其電阻值的對(duì)數(shù)隨溫度的倒數(shù)成正比關(guān)系變化。50 NTC熱敏電阻的材料： 主要是Fe、Ni、Co、Mn等過(guò)渡金屬氧化物，材料

21、結(jié)構(gòu)主要是由具有尖晶石型、巖鹽型、黑錳礦型、方鐵錳礦型等晶型的化合物或它們的混合物組成。由于是金屬氧化物，所以通常這些材料的阻溫特性很穩(wěn)定?；衔镒龀傻臒崦綦娮璨牧险w受雜質(zhì)的影響也較小。 以尖晶石結(jié)構(gòu)為例。 51種類(lèi)NTC0oC電阻值0.01-10000使用溫度范圍極低溫用：100K-106K；低溫：-1300oC；常溫：-50350oC；中溫：150-750oC；高溫500-1300oC；短時(shí)間測(cè)量可達(dá)到2000oC主要材料極低溫用C、Ce、Si；低溫用Mn、Ni、Co、Fe等遷移金屬氧化物再添加少量Cu的燒結(jié)體；常溫用材料和低溫用材料相同，但不添加Cu；中溫用三氧化二鋁添加遷移金屬氧化物

22、燒結(jié)體；高溫二氧化鋯和三氧化二釔復(fù)合體燒結(jié)體。52（1）PTC熱敏電阻 PTC熱敏電阻具有正電阻-溫度系數(shù)。在一確定的溫度范圍內(nèi)其電阻-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系呈非線性顯著增加趨勢(shì)。利用這種阻-溫特性不僅可用作溫度度傳感器，還被用作為電阻加熱元件和開(kāi)關(guān)元件。所以，可同時(shí)兼有敏感元件、加熱器、開(kāi)關(guān)三個(gè)功能。 PTC材料主要采用n-型摻雜的BaTiO3為基的半導(dǎo)體熱敏電阻陶瓷器件。53 BaTiO3系材料，若摻入微量的1價(jià)、3價(jià)、5價(jià)和6價(jià)的金屬氧化物，其電阻-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系有幾個(gè)突變點(diǎn)。在居里溫度以下是半導(dǎo)體，居里溫度附近電導(dǎo)率變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而在居里溫度以上呈典型的絕緣體的情況。所謂居里溫度即為電阻開(kāi)始急劇

23、增大的溫度，可由改變化學(xué)成分控制。54BaTiO3中Sr、Pb置換量和溫度的關(guān)系55 1.利用高純TiO2和BaCO3合成BaTiO3摻入施主雜質(zhì)。 2. 將Ba(TiO)(C2O4)4H2O熱分解的到BaTiO3后再實(shí)施半導(dǎo)體化。制備BaTiO3系熱敏電阻材料的方法 在制備過(guò)程中，對(duì)Mn、Mg、Cu、Fe等雜質(zhì)的含量限制在10-5以下，BaTiO3熱敏電阻的燒結(jié)工藝條件控制比較嚴(yán)格，燒結(jié)溫度在1200-1400oC之間等。56（3）CTR臨界熱敏電阻 常用的CTR臨界熱敏電阻材料多采用VO2。VO2在68處具有相變點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致原來(lái)的半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)制變?yōu)榻饘賹?dǎo)電機(jī)制。在相變點(diǎn)附近顯現(xiàn)出電

24、阻急劇減小的特點(diǎn)在相變點(diǎn)邊界低溫側(cè)的電阻率比高溫側(cè)的電阻率大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。利用此特性制作的熱敏電阻，并將其稱(chēng)為驟變熱敏電阻或臨界熱敏電阻。57種類(lèi)PTCCTR0oC電阻值/K0.01-1001-1000溫度使用范圍-50-150oC0-150oC主要材料以鈦酸鋇為主要材料的燒結(jié)體釩氧化物、酸性氧化物(P、B、Si）；堿性氧化物(Mg、Ca、Si、Ba、Pb、La)2-3組分的燒結(jié)體、589.4 光敏傳感器 光敏材料能夠?qū)⒎请娏康墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成可檢測(cè)的電量，利用具有這種特性的材料制成的傳感器稱(chēng)為光電傳感器。 光電傳感器可以進(jìn)行非接觸測(cè)量，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此，在檢測(cè)

25、和控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 可以根據(jù)材料對(duì)光波長(zhǎng)的敏感性對(duì)光電傳感器進(jìn)行分類(lèi)，有可見(jiàn)光傳感器、紅外光(包括近紅外光)傳感器、紫外光傳感器等。 常用的光電傳感器有光敏電阻、光敏晶體管、光電耦合器、電荷耦合器件、顏色傳感器等。59光敏傳感器的原理 光敏傳感器的工作原理是基于光電效應(yīng)，當(dāng)光照射物體時(shí)，物體受到大量光子的轟擊，材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)。 如電導(dǎo)率變化，發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 60 通常將光電效應(yīng)通常分三類(lèi)： 其一，在光照作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)利用外光電效應(yīng)的光敏傳感器有光電管、光電倍增管等； 其二，光的作用僅使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)，

26、利用這種效應(yīng)的傳感器有光敏電阻等； 其三，在光照作用下使物體產(chǎn)生一定的電勢(shì)，此現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)，利用光生伏特效應(yīng)的光電傳感器有光電池、光敏晶體管等61629.4.1 光敏電阻（1）工作原理光電流=亮電流- 暗電流；根據(jù)電流的大小來(lái)測(cè)定光的強(qiáng)弱。63 按半導(dǎo)體材料分： 本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。摻雜型光敏電阻中n型半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻性能穩(wěn)定，特性較好。 按光敏電阻的光譜特性及最佳工作波長(zhǎng)范圍分： 1.對(duì)紫外光敏感的光敏電阻，如硫化鎘和硒化鎘等； 2.對(duì)可見(jiàn)光敏感的光敏電阻，如硫化鉈等； 3.對(duì)紅外光敏感的光敏電阻，如硫化鉛等；常見(jiàn)的光敏電阻有硫化鎘、硫化鉛、銻化銦、碲鎘汞系列光敏

27、電阻等。（2） 光敏電阻分類(lèi)64 目前生產(chǎn)的光敏電阻主要是硫化鎘光敏電阻，在很寬的光譜范圍內(nèi)，對(duì)、射線具有很高的靈敏度。 單晶硫化鎘光敏電阻具有更高的光電靈敏度，為了提高光靈敏度，常在硫化鎘中摻雜銅、銀等物質(zhì)。 其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。 65光敏電阻的光照特性66（3） 光敏電阻應(yīng)用實(shí)例自動(dòng)照明679.4.2 太陽(yáng)能電池（1）工作原理 硅光電池是利用光生伏打效應(yīng)的原理。利用n-型和p-型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。6869 通常在N型襯底上制造一薄層P型區(qū)作為光照敏感面。當(dāng)入射光子的數(shù)量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子-空穴對(duì)，光生電子-空穴對(duì)的濃度從表面向內(nèi)部迅速

28、下降，形成由表及里擴(kuò)散的自然趨勢(shì)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子-空穴對(duì)分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴被拉到P型區(qū)，故N型區(qū)帶負(fù)電，P型區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間(Ps數(shù)量級(jí))，新的平衡狀態(tài)建立后，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。70 太陽(yáng)能電池可以分為硅太陽(yáng)能電池和化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。 硅可形成單晶硅、多晶硅和非晶硅三種： 其中單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)；但原材料成本較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價(jià)格高； 多晶硅太陽(yáng)能和單晶硅的性能特點(diǎn)基本類(lèi)似； 非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較低，面積較大，但由于原材料成本較低，價(jià)格比較低廉。且具有良好的抗輻射性能

29、，良好的溫度特性和較高的充電效率。 （2） 太陽(yáng)能電池分類(lèi)71 1.通常晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度為350-450um的高質(zhì)量硅片上制成，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割得到，造成硅材料的浪費(fèi)。 2.多晶硅薄膜電池主要采用化學(xué)氣相沉積。包括低壓化學(xué)氣相沉積和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。此外，液相外延法和濺射沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。（3）硅材料的制備72 化學(xué)氣相沉積法主要以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4為反應(yīng)氣，在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底一般選用Si、SiO2、Si3N4等。 為了解決難以形成較大晶粒的多晶硅并克服晶粒間的間隙等問(wèn)題，采用

30、先進(jìn)行低壓化學(xué)氣相沉積沉積一層較薄的非晶硅層，退火得到較大的晶粒，然后再沉積厚的多晶硅薄膜。制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。（3）硅材料的制備73 窄禁帶和寬禁帶復(fù)合的太陽(yáng)能電池； 染料敏化太陽(yáng)能電池；（4）納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池749.4.3 光敏二極管（1）工作原理 光敏二極管是基于半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng)原理的光敏元件。75 在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并在外電場(chǎng)的作用下，漂移越過(guò)PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。入射光的照度增強(qiáng)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流

31、與光照度成正比。76 按材料分：鍺、硅和化合物半導(dǎo)體材料制作的光敏二極管。 光敏二極管主要用于光度計(jì)、照度計(jì)、攝像機(jī)的露點(diǎn)計(jì)、頻閃光燈、光纖通訊等。 與光敏電阻比較，光敏二極管的優(yōu)點(diǎn)是線性好，響應(yīng)速度快，對(duì)寬范圍波長(zhǎng)的光具有較高的靈敏度等。光敏二極管的分類(lèi)77（4）光敏二極管應(yīng)用實(shí)例柱油液位控制裝置，書(shū)中圖9-21，9-22789.5 力敏傳感器 力敏傳感器是檢測(cè)氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力的傳感器的總稱(chēng)，包括測(cè)量高于大氣壓的壓力計(jì)以及測(cè)量低于大氣壓的真空計(jì)。 力敏傳感器可以分為應(yīng)變式力傳感器、壓阻式力傳感器、壓電式力傳感器和電容式力傳感器等幾種。799.5.1 壓阻式力敏傳感器 電阻應(yīng)

32、變片:是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感元件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分。 電阻應(yīng)變片中用的較多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。80常見(jiàn)的應(yīng)變片類(lèi)型81 金屬應(yīng)變片吸附在基體材料上的應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 R=L/S金屬電阻應(yīng)變片的工作原理 金屬電阻的變化隨金屬材料的長(zhǎng)度和截面積的變化而變化。(1) 金屬電阻應(yīng)變片82R=L/S83 體型應(yīng)變片：金屬絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片 傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片也稱(chēng)為形變規(guī)。用作形變規(guī)的金屬材料要求由外力引起形變而產(chǎn)生的電阻變化率RR高、形變變化的線性好、溫度系數(shù)低。與形變相應(yīng)的電阻變化率通常稱(chēng)為標(biāo)

33、準(zhǔn)因子G，其定義為 G=(R/R)/(L/L)+av+1 v約為0.384合金名稱(chēng)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）G溫度系數(shù)/K-1阿范斯康銅Cu-42Ni2.042.1220X10-6康銅Cu-40Ni1.72.020 x10-6高阻鎳鉻合金Ni-20Cr-3Fe-3Cu2.020 x10-6錳銅Cu-13Mn0.450.5015x10-6鎳鉻合金Ni-24Fe-16Cr2.02.5150 x10-6Pt-IrPt-20Ir6.0800 x10-685 金屬電阻應(yīng)變片可分為： 體型應(yīng)變片和薄膜型，屬于體型的有金屬絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片，見(jiàn)書(shū)中圖9-23，9-24. 薄膜性應(yīng)變片極薄，其厚度不大于0.1u

34、m，它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等鍍膜技術(shù)將電阻材料鍍?cè)诨希频酶鞣N敏感柵而制成應(yīng)變片。86金屬電阻絲應(yīng)變片的構(gòu)造示意圖87 金屬絲應(yīng)變片中敏感材料的直徑在0.01-0.05mm之間，主要優(yōu)點(diǎn)是能在高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射等特殊條件下使用。 金屬箔片應(yīng)變片是利用照相制版技術(shù)或光刻腐蝕技術(shù)將電阻箔片在絕緣基底上制成各種圖案并形成應(yīng)變片，敏感柵的箔片很薄，主要優(yōu)點(diǎn)是散熱能力強(qiáng)，輸出功率大，靈敏度高等。88(2) 半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。半導(dǎo)體應(yīng)變片是直接用單晶硅或單晶鍺等半導(dǎo)體材料進(jìn)行切割、研磨、切條。焊引線一系列工藝工程制作完成的。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作

35、原理是對(duì)半導(dǎo)體在某一晶向上施加壓力時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生一定的變化。這種電阻率變化和應(yīng)力之間的相互關(guān)系稱(chēng)為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。89條形半導(dǎo)體基片引線半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖90(3) 薄膜壓力傳感器 薄膜壓力傳感器的制作工藝流程中的關(guān)鍵技術(shù)是敏感元件的制作，即在彈性元件上沉積四種功能膜。金膜保護(hù)膜膜電阻絕緣膜彈性元件91 薄膜工藝具體順序:彈性元件表面預(yù)處理鍍Ta2O5絕緣膜(起過(guò)渡連接作用）SiO2絕緣膜Ni-Cr合金電阻膜(將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出)SiO2保護(hù)膜(可防水、防氧化等，保證電阻膜的穩(wěn)定性）Au膜作為電極將信號(hào)引出。 功能膜采用離子束濺射工藝在經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的彈性元件表面沉積而成的，離子

36、束濺射鍍膜的原理是在高真空環(huán)境下從離子源引出Ar離子加速后轟擊靶材，靶材原子逸出后在彈性元件襯底上成長(zhǎng)為薄膜。929.5.2 壓電式力敏傳感器 正壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉，它們有重新回到不帶電的狀態(tài)。 逆壓電效應(yīng)：在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓片發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象。 常見(jiàn)的材料的有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。93+-+-+-+-壓電晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理(a) 表示晶體中質(zhì)點(diǎn)在某方向上的投影(b) 晶體受到擠壓作用(c) 晶體受到拉伸作用+-+-+-+94 壓電傳感器中的壓電材料

37、主要有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫銨。 其中石英晶體的壓電系數(shù)較低。 酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下應(yīng)用。 磷酸二氫銨屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度。壓電式力敏傳感器應(yīng)用材料95 現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如壓電陶瓷。 鈦酸鋇壓電陶瓷具有比較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，但是機(jī)械性能不如石英。 鈮酸鹽系壓電陶瓷是以鐵電體鈮酸鉀和鈮酸鉛為基礎(chǔ)的，鈮酸鉛的介電常數(shù)較低，在鈮酸鉛中用鋇或鍶代替一部分鉛，可以得到具有較高機(jī)械品質(zhì)的鈮酸鹽壓電陶瓷。 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷壓電系數(shù)比較高，在其中添加一兩中微量元素，可以獲得不同性能的鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷材料。9

38、6 壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)的到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)它在航空領(lǐng)域中也發(fā)揮不可估量的作用。 壓電式傳感器可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力與真空度的測(cè)量；也可用于軍事工業(yè)。壓電式力敏傳感器應(yīng)用979.6 磁敏傳感器 磁敏傳感器是磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號(hào)的裝置，它是各種測(cè)磁儀器的核心。 磁敏傳感器主要是半導(dǎo)體磁敏傳感器，它是指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量變化的傳感器，常用的有霍爾傳感器和磁敏電阻傳感器(簡(jiǎn)稱(chēng)磁阻傳感器)，此外，還有磁敏二極管、磁敏三極管等。 磁敏傳感器是利用磁場(chǎng)工作的，因此可以通過(guò)非接觸方式檢驗(yàn)。非接觸方式可以保證傳感器壽命長(zhǎng)、可靠性高。98半導(dǎo)體

39、磁敏電阻材料 半導(dǎo)體磁敏電阻材料主要是InSb、InAs晶體或薄膜以及InSb-NiSb共晶體和InSb共晶薄膜等。 InSb磁敏電阻分為體型和薄膜型兩種： 體型是將厚度為300600m的InSb單晶片粘貼到絕緣基片上后在減薄至5-10m而制成的。 薄膜型采用真空蒸發(fā)和真空濺射工藝制備，以真空蒸發(fā)為主。 InSb-NiSb共晶體中，電阻率比InSb小的多的NiSb以針狀體形式定向排列，這樣就相當(dāng)于在共晶體中嵌入了許多金屬絲。99強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻材料 強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻材料是指一類(lèi)具有各向異性效應(yīng)的磁敏材料。這類(lèi)材料在磁化方向平行于電流方向時(shí)，阻值最大，在磁化方向垂直于電流方向時(shí)，阻值最小。

40、因此改變磁化方向與電流方向的夾角，即可改變強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻材料的阻值。 強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻材料主要是Ni-Co合金薄膜和Ni-Fe合金薄膜。1007.6.1 霍爾元件 霍爾傳感器的基本原理：IBUH101 當(dāng)電流通過(guò)放在磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體基片（霍爾元件）且電流方向磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，在垂直于電流和磁通的半導(dǎo)體基片的橫向側(cè)面上產(chǎn)生一個(gè)電壓，這個(gè)電壓稱(chēng)為霍爾電壓UH?；魻栯妷旱母叩团c通過(guò)的電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成整比，表示式為： UH=RHIB/d 通過(guò)的電流I一定時(shí)，霍爾電壓UH與磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比。102 霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中的載流子(電流的運(yùn)動(dòng)方向)在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用發(fā)生橫向漂移的結(jié)果，結(jié)果使導(dǎo)電板

41、的一端表面相對(duì)另一端表面積累了多余的電子，另一端表面因缺少電子而積累了多余的正電荷。這兩種積累電荷在導(dǎo)電板內(nèi)部寬度的方向上建立了附加電場(chǎng)，稱(chēng)霍爾電場(chǎng)。 霍爾電場(chǎng)的出現(xiàn)，使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖茲力作用外，還受著反向的電場(chǎng)力，其大小隨著兩端面上積累多余電荷的增加，霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度增加，電子受的電場(chǎng)力也增加，最后電子受的洛侖茲力和霍爾電場(chǎng)力的大小相等，方向相反，即達(dá)到平衡。103 霍爾元件常用的材料主要有GaAs和InSb，另外還有Ge和InAs?；魻栐Ｓ貌牧霞皯?yīng)用 霍爾磁敏傳感器的應(yīng)用較為廣泛：家電產(chǎn)品的磁頭；洗衣機(jī)中的電動(dòng)機(jī)主要依靠霍爾傳感器檢測(cè)和控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等 霍爾傳感器在工業(yè)中

42、應(yīng)用如離心機(jī)；油田上可以計(jì)算油的流量等。 此外，霍爾傳感器在飛機(jī)、軍艦、航天器、新軍事裝備及通訊中也得到廣泛的應(yīng)用。1047.6.2 InSb磁阻元件 磁阻元件傳感器的基本原理：IBRLIcd105 InSb磁阻元件是利用半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)做成的一種磁敏電阻器。 當(dāng)電流通過(guò)放在磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體基片（霍爾元件）且電流方向磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)之外，還會(huì)出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。 其中原因包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)。106 物理磁阻效應(yīng)有稱(chēng)為磁電阻效應(yīng)，它表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻率隨外磁場(chǎng)和材料中遷移率的變化而變化。 在霍爾電場(chǎng)E的作用下，運(yùn)動(dòng)速度為v=E的電子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而速度大于

43、或小于v的電子運(yùn)動(dòng)方向受到EH的作用都發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化的直接結(jié)果是沿電流Ic方向上的電流密度減小，電阻率增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為物理磁阻效應(yīng)。 物理磁阻效應(yīng)107108 幾何磁阻效應(yīng)描述的是導(dǎo)體磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體片幾何形狀的關(guān)系。 在相同的磁場(chǎng)作用下，由于半導(dǎo)體晶片幾何形狀不同導(dǎo)致電阻值不同變化的現(xiàn)象稱(chēng)為幾何磁阻效應(yīng)。 不同幾何形狀有不同的磁阻比，其中寬而短的半導(dǎo)體片有較好的磁阻效應(yīng)。 幾何磁阻效應(yīng)109 要制作高靈敏度磁敏電阻，在材料方面應(yīng)選用高遷移率的半導(dǎo)體材料，在幾何方面要求短而寬。半導(dǎo)體材料中，InSb的電子遷移率最大，是硅材料的50倍，在幾何方面，就是形成柵格性磁敏電阻元件。磁

44、敏電阻材料和制作方面的要求110 磁敏電阻與被測(cè)物體連接在一起，當(dāng)待測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)磁敏電阻在磁場(chǎng)中移動(dòng)。由于磁阻效應(yīng)，磁敏電阻的阻值將發(fā)生變化，據(jù)此可以求得待測(cè)物體的位移大小。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量；缺點(diǎn)是；量程小，僅適用于5mm以下位移的測(cè)量。磁敏電阻傳感器的應(yīng)用111 磁敏電阻壓力傳感器- 磁敏電阻和永磁體安裝在彈性片上，所以InSb電阻對(duì)永磁體的相對(duì)位移與壓力成整比關(guān)系。根據(jù)這種原理制成的壓力傳感器主要應(yīng)用在血壓計(jì)、氣壓計(jì)、水壓計(jì)和真空計(jì)等方面。磁敏電阻傳感器的應(yīng)用彈性片InSb電阻彈簧永磁體氣壓112 小信號(hào)檢測(cè)用InSb電阻磁頭也是用I

45、nSb磁敏電阻作為核心敏感元件，主要在票證檢偽、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)中。 今年來(lái)，弱磁檢測(cè)磁敏傳感器的開(kāi)發(fā)備受青睞。如利用硅微懸臂梁的機(jī)械諧振的集成磁敏傳感器；利用非晶帶作電感的隧道二極管振蕩器等。113 1. 檢測(cè)弱磁場(chǎng)，大都以高靈敏度和高分辨率力為研制目標(biāo)； 2. 盡可能利用微機(jī)械加工和微電子線路進(jìn)行集成，使新開(kāi)發(fā)的傳感器便于大量生產(chǎn)，能形成工業(yè)化產(chǎn)品； 3. 利用硅材料優(yōu)越的力學(xué)性能、各類(lèi)非晶材料的次性能、高溫超導(dǎo)材料的磁特性等，也就是注重新材料的研制和開(kāi)發(fā)； 4. 利用微生物來(lái)做磁傳感器。磁敏傳感器新構(gòu)想1149.7 一些新型的傳感器 納米材料泛指粒徑、厚度、線度在1-100nm范圍內(nèi)的納米粉

46、末、膜，線以及納米多空材料，包括金屬、氧化物、無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物等。 納米材料尺度的減小以及表面狀態(tài)的改變，會(huì)使其表現(xiàn)出許多既不同于微觀粒子又不同于宏觀物體的特性，例如小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和微觀量子隧道效應(yīng)等等。9.7.1 納米傳感器115一、納米微粒的性質(zhì)1.小尺寸效應(yīng): 當(dāng)微粒的尺寸與光波的波長(zhǎng)，德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或投射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，周期性邊界條件將被破壞，聲光、電磁、熱力學(xué)特征均會(huì)出現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。如：陶瓷的韌性增加，因?yàn)槲⒘＝缑嬖优帕谢靵y，原子在外力的變形條件下自己容易遷移，表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性；而金屬則有些強(qiáng)度和硬度變化

47、甚大。1162.表面與界面效應(yīng)： 微粒的尺寸的減小，表面積大幅度增加，由于高的比表面的存在，表面能和表面 張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。納米微粒表面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同，存在許多懸空鍵，極易和其他原子結(jié)合而趨向穩(wěn)定，所以納米微粒有很高的表面活性。 如納米過(guò)渡金屬儲(chǔ)氫的能力金屬表面吸附氫過(guò)渡金屬原子與氫相結(jié)合形成固溶體形式的氫。1173.量子尺寸效應(yīng)： 孤立原子的能級(jí)是分立的，能量是量子化的，材料中電子的能級(jí)或能帶與組成材料的顆粒尺寸有密切的關(guān)系。 如：宏觀金屬通常用準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)描述，到納米尺寸準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)便為離散能級(jí)，低溫下，費(fèi)米能級(jí)附近的平均能級(jí)間隔大于K

48、T,金屬納米微粒顯示出與塊狀材料顯著不同的物理性質(zhì)，金屬的這種物理效應(yīng)稱(chēng)為久保效應(yīng)4.量子隧道效應(yīng)1184.量子隧道效應(yīng)： 隧道效應(yīng)是量子力學(xué)中的微觀離子所有的特性，即在電子能量低于它要穿過(guò)的勢(shì)壘高度的時(shí)候，由于電子具有波動(dòng)性而具有穿過(guò)勢(shì)壘的幾率。 宏觀物理量，如：微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等也顯示出隧道效應(yīng)。119 納米材料在傳感器上的應(yīng)用原理：利用納米固體的界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)制成傳感器。傳感器開(kāi)發(fā)與納米材料的開(kāi)發(fā)相比，主要體現(xiàn)在應(yīng)用方面更加具體化。傳感器上所用的納米材料主要是陶瓷材料。 將在軍事和醫(yī)學(xué)上表現(xiàn)出不可估量的前景。納米傳感器120 多功能傳感器能轉(zhuǎn)換兩種以上的不同物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y(cè)系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨(dú)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種傳感器的功能。 9.7.2 多功能傳感器121 (1)多功能傳感器系統(tǒng)由若干