傳感器敏感材料與敏感元件介紹

傳感器敏感材料與敏感元件介紹傳感器的敏感材料及敏感元件3.1半導(dǎo)體敏感材料及元件13.2陶瓷敏感材料23.3高分子敏感材料33.4電流變敏感材料43敏感材料及元件傳感器中的敏感材料是指能直接感受被測(cè)量的部分，是傳感器研究領(lǐng)域中最核心和關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容。敏感元件定義：如果被檢測(cè)或被控制的量不是電信號(hào),那么把各種各樣的物理量變成電信號(hào)來測(cè)量的元件,就是所謂敏感元件。根據(jù)被測(cè)參數(shù)的功能類型來劃分敏感材料。例如溫度敏感材料、壓力敏感材料、應(yīng)變敏感材料、光照度敏感材料等。按照材料的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類。該分類方法包括半導(dǎo)體敏感材料、陶瓷敏感材料、金屬敏感材料、有機(jī)高分子敏感材料、光纖敏感材料、磁性敏感詞材料等等。

3.1半導(dǎo)體敏感材料及元件傳感器對(duì)半導(dǎo)體敏感材料最基本要求是換能效率高，即可將其他形式能量轉(zhuǎn)換為電能，且易制成器件。傳感器用的半導(dǎo)體敏感材料種類主要有：元素半導(dǎo)體及化合物；金屬氧化物以及幾種金屬氧化物經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)體陶瓷、多元化合物等，此外還有新開發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)體材料，如酞薔金屬化合物等。在儀器儀表中所用的敏感元件是多種多樣的。而半導(dǎo)體在光、電、熱、磁等因素作用下會(huì)產(chǎn)生光電、熱電、霍爾、磁阻、壓電、場(chǎng)和隧道等效應(yīng)，利用這些效應(yīng)可以制做各種具有獨(dú)特性能的敏感元件，其特點(diǎn)是：靈敏度高、重量輕、響應(yīng)快、工作電壓低等。半導(dǎo)體光敏材料及元件光敏半導(dǎo)體材料是將光能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體材料，按其換能原理可分為以下兩種：半導(dǎo)體材料接受光子的能量，使載流子由束縛態(tài)激發(fā)到自由態(tài)，從而電導(dǎo)率增大。入射光在兩種半導(dǎo)體的結(jié)合處激發(fā)起電子-空穴對(duì)，電子與空穴分別被結(jié)電場(chǎng)拉開，向相反方向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。用這類材料可制成光電二極管、光電三極管及雪崩光二極管等器件，廣泛用于自動(dòng)控制。

1.光導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料：2.光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料：3.1.2半導(dǎo)體磁敏材料及元件磁敏半導(dǎo)體材料是將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的材料。按應(yīng)用原理可分為以下兩類。

當(dāng)有均勻電流流過的半導(dǎo)體材料受到一垂直于電流方向的磁場(chǎng)作用時(shí)，因洛倫茲力作用，產(chǎn)生一橫向的電場(chǎng)?；舳妷旱拇笮∨c磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，依此可將磁場(chǎng)強(qiáng)度線性地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。要求材料具有高遷移率及薄層結(jié)構(gòu)。當(dāng)半導(dǎo)體中有均勻電流流過，并受垂直于電場(chǎng)方向的外界磁場(chǎng)作用時(shí)，因霍耳效應(yīng)，電流偏離電場(chǎng)方向一個(gè)角度，使電流所經(jīng)的路程變長(zhǎng)。在電流方向，材料兩端設(shè)置金屬元件，電阻就增大。常用InSb、InAs制作磁敏電阻，同樣要求材料具有高遷移率及薄層結(jié)構(gòu)。

1.霍耳效應(yīng)材料：2.磁電阻效應(yīng)材料：3.1.3其他半導(dǎo)體敏感材料及元件壓力敏感半導(dǎo)體材料是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體材料。按其換能效應(yīng)原理，可分為以下兩種。這類材料受外力作用時(shí)，產(chǎn)生晶格形變。晶格的距離改變，導(dǎo)致禁帶寬度及載流子在電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，促使電阻率改變。這類材料的作用機(jī)理都基于壓電效應(yīng)。當(dāng)外力作用到不具有對(duì)稱中心的晶體上時(shí)，引起晶體中荷電質(zhì)點(diǎn)位移，偏離平衡位置，使材料的正負(fù)電重心不重合而極化，晶體表面荷電。1.壓阻半導(dǎo)體材料：2.壓電半導(dǎo)體材料：3.2陶瓷敏感材料某些精密陶瓷對(duì)聲、光、電、熱、磁、力場(chǎng)及氣體分布場(chǎng)顯示了優(yōu)良的敏感特性和耦合特性，容易制得各種單功能與多功能的傳感器由于與半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電性有關(guān)的現(xiàn)象多半跟晶界的存在及性質(zhì)有關(guān)，故與晶界有關(guān)的各種現(xiàn)象往往成為陶瓷的特殊功能。目前已得到實(shí)用的陶瓷傳感材料可分為：①利用晶體本身性質(zhì)的NTC熱敏電阻、高溫?zé)崦綦娮韬脱鯕鈧鞲衅?；②利用晶界性質(zhì)的PTC熱敏電阻、半導(dǎo)體電容器；③利用表面性質(zhì)的半導(dǎo)體電容器、BaTiO3系壓敏電阻、各種氣體傳感器、濕度傳感器。3.2.1溫度敏感陶瓷材料陶瓷溫度傳感器是利用陶瓷材料的電阻、磁性、介電、半導(dǎo)等物理性質(zhì)隨溫度而變化的現(xiàn)象制成的，其中電阻隨溫度變化顯著的稱為熱敏電阻。對(duì)熱敏電阻的基本特性要求包括有：①電阻率；②溫度系數(shù)的符號(hào)與大小；③穩(wěn)定性。按熱敏電阻的溫度特性可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度電阻（CTR）3類。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻之溫度—電阻特性可表示為：

（3-1）當(dāng)熱敏電阻是由氧化物組成時(shí)，其熱敏電阻常數(shù)，其中為雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的電場(chǎng)能，k為波爾茲曼常數(shù)。據(jù)此，摻以不同種類的雜質(zhì)或改變氧化物的組成比，即可得到不同的B值。式中：R、R0為、T、T0時(shí)的電阻值；B為熱敏電阻常數(shù)。由上式可得電阻溫度系數(shù)為：。3.2.2濕度敏感陶瓷材料濕度傳感器材料的特點(diǎn)包括可靠性高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、靈敏度高，在實(shí)用的范圍內(nèi)能長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受其他氣體的侵襲和污染而保持性能不變以及對(duì)溫度依賴性小。陶瓷材料的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，通過控制原料組成、成型、燒結(jié)等工藝可以使陶瓷材料具有特定的孔隙度這些氣孔可以吸附、吸收或凝結(jié)水蒸氣，所以這種陶瓷材料適合做濕度傳感器材料。1多孔陶瓷的濕敏機(jī)理（1）等價(jià)電路如圖3-1所示多孔陶瓷等價(jià)電路多孔陶瓷等價(jià)電路如圖3-1所示，圖中CB、RB是陶瓷自身的電容、電阻，、是吸附在貫通細(xì)孔表面的水的電容、電阻，、是存在于入口細(xì)孔的電極間陶瓷的電容、電阻?？傠娮鑊ob由下式給出：

在絕緣性金屬氧化物中，RB的電阻是相當(dāng)大的，在室溫下，。通過多次實(shí)驗(yàn)判定，相對(duì)于表面吸附水而言，ZS＝RS，ZX由CB和RS決定。所以，式（3-2）可改為：

（3-2）（2）影響感濕特性的因素1）細(xì)孔表面積入口細(xì)孔的存在會(huì)造成材料的感濕靈敏度降低，所以元件中的細(xì)孔最好是完全貫通細(xì)孔自身構(gòu)成。由圖可知細(xì)孔的表面積越大，則多孔陶瓷的電阻率越小。

圖3-2在90%RH（1kHz）下表面氧化的細(xì)孔表面積和電阻率關(guān)系

2）表面氫氧基濃度由燒結(jié)法得到的氧化物表面上都存在著一定的表面氫氧基。表面氫氧基的濃度和導(dǎo)電性的關(guān)系滿足Anderson關(guān)系。圖3-3表示的是硅膠的電阻與表面氫氧基濃度的關(guān)系。隨著氫氧基濃度的增加電阻逐漸增大的。圖3-3硅膠的電阻與表面氫氧基濃度關(guān)系3）物理吸附水量電傳導(dǎo)是由含有活化過程的質(zhì)子或水和質(zhì)子之間進(jìn)行的。質(zhì)子的生成是由吸附水的解離而成，則電導(dǎo)率σ滿足下列關(guān)系式：

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；E為活化能。圖3-4表示多孔氧化鋁的活化能E和水覆蓋率θ之間的關(guān)系。當(dāng)水覆蓋率θ＞2.5時(shí)活化能E減小的趨勢(shì)變得緩和了，在高覆蓋率時(shí)活化能E接近0.1eV。在純水中的活化能約等于0.26eV。在θ＞2.5覆蓋狀態(tài)下的吸附水接近液體水的狀態(tài)。在水中的質(zhì)子活化能約等于0.1eV。圖3-4表示多孔氧化鋁的活化能和水覆蓋率之間的關(guān)系（3）改善陶瓷濕敏特性的方法1）在陶瓷基體中引入強(qiáng)酸性離子：可以有效降低濕度敏感材料的電阻，但這種質(zhì)子是可能與堿離子進(jìn)行交換的，對(duì)傳感器的穩(wěn)定性不利。2）在陶瓷基體中引入堿離子來降低陶瓷的體電阻。如在ZrSiO4燒結(jié)體中通過XH2PO4（X=H、Na、K）的方式引入堿離子，其電阻對(duì)應(yīng)于濕度都呈指數(shù)式下降。3）改變陶瓷自身的物性。如超離子導(dǎo)電體Na3Zr2Si3PO12及其類似化合物，對(duì)于空氣、濕度有良好的穩(wěn)定性，在干燥狀態(tài)下易得到1ΜΩ·cm以下的電阻率。2尖晶石型陶瓷敏感材料（1）尖晶石型結(jié)構(gòu)尖晶石的結(jié)構(gòu)化學(xué)通式為AB2O4。按A在晶體結(jié)構(gòu)中所處的位置不同可分為正尖晶石（基本屬于絕緣體）、反尖晶石（電導(dǎo)率最大，通常為半導(dǎo)體）和半反尖晶石（電導(dǎo)率小于全反尖晶石）。尖晶石的晶胞結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。每個(gè)晶胞有32個(gè)氧離子（O2-），16個(gè)B3+，8個(gè)A2+。每個(gè)晶胞有8個(gè)立方單元組成。圖3-5尖晶石的晶胞結(jié)構(gòu)這8個(gè)單元可分為甲、乙兩種結(jié)構(gòu)類型，如圖3-6（a）、（b）所示。每?jī)蓚€(gè)共面的立方單元屬于不同類型的結(jié)構(gòu)。每?jī)蓚€(gè)立方單元屬于不同類型的結(jié)構(gòu)。每?jī)蓚€(gè)共邊的立方單元屬于同類結(jié)構(gòu)。每個(gè)小立方單元內(nèi)有4個(gè)氧離子，他們均位于體對(duì)角線中點(diǎn)至頂點(diǎn)的中心。所以整個(gè)晶胞32個(gè)氧離子，金屬離子處于氧離子密堆積的空隙中。間隙較小的是氧四面體中心，為A位置，間隙較大的則是氧八面體位置，為B位置。圖3-6兩種結(jié)構(gòu)類型（2）典型的尖晶石結(jié)構(gòu)陶瓷濕度敏感材料純MgCr2O4為正尖晶石結(jié)構(gòu)，是絕緣體，不宜用作感濕材料。當(dāng)加入適量雜質(zhì)，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高溫煅燒，瓷體中呈現(xiàn)過量的MgO時(shí)，MgCr2O4即形成半導(dǎo)體。圖3-7表示MgCr2O4中添加受主雜質(zhì)MgO時(shí)對(duì)電阻率的影響。圖3-7雜質(zhì)（MgO）對(duì)電阻率的影響當(dāng)TiO2加入量小于20%（mol）時(shí)，電阻率迅速增加。當(dāng)加入TiO2的量較大時(shí)[20%～90%（mol）]，電阻率降低。這是由于Ti3+；離子提供過多的電子，除補(bǔ)償了MgCr2O4的空穴外，多余的電子形成n型電導(dǎo)，見圖3-8。當(dāng)TiO2的量過大[超過90%（mol）]時(shí)，由于形成大量的金紅石相，電阻率又增加。

圖3-8TiO2含量對(duì)電阻的影響3鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)陶瓷濕度敏感材料鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的化學(xué)通式為ABO3

，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的納米級(jí)復(fù)合氧化物陶瓷材料的表面、界面性質(zhì)優(yōu)異，對(duì)環(huán)境濕氣度化非常敏感，是濕度敏感材料發(fā)展的新方向。BaTiO3晶體是較早被人們認(rèn)識(shí)的鐵電材料之一。BaTiO3具有很好的濕敏性質(zhì)，隨著BaTiO3顆粒尺寸的減小，濕敏特性提高，響應(yīng)加快。BaTiO3陶瓷樣品在大氣中隨時(shí)間變化的直流電阻與電容（溫度為27℃，濕度約為98%）的關(guān)系如圖3-14和圖3-15所示。BaTiO3陶瓷樣品受大氣中水汽影響使直流電阻、電容隨時(shí)間而變化，這種變化是空氣中水汽向樣品擴(kuò)散過程的反映，樣品隨吸附的水汽濃度增加，直流電阻和電容值發(fā)生變化。

圖3-14BaTiO3陶瓷樣品直流電阻隨時(shí)間的變化規(guī)律圖3-15BaTiO3樣品電容隨時(shí)間的變化規(guī)律（?=1kHz）4厚膜型陶瓷濕度敏感材料將具有感濕特性金屬氧化物微粒經(jīng)過堆積、粘接而形成的材料，可稱之為陶瓷厚膜，用這種厚膜陶瓷材料制作的濕敏器件，一般被稱為厚膜型陶瓷濕敏器件或瓷粉型濕敏器件，以與薄膜（厚度d一般在2～20μm范圍）相區(qū)別。厚膜型濕度敏感材料的理化性能比較穩(wěn)定、器件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、測(cè)濕量程大、使用壽命長(zhǎng)、成本低廉。厚膜型Fe3O4濕敏器件的阻值，一般要高于燒結(jié)型陶瓷濕敏器件的阻值，在低濕段其阻值要在107Ω以上。然而，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)e3O4濕敏器件阻值變化卻非常之大。感濕膜結(jié)構(gòu)的松散、微粒間的不緊密接觸，既造成接觸電阻的偏大，又使這種多孔性的感濕膜具有較強(qiáng)的透濕能力。3.2.3氣體敏感陶瓷材料氣敏陶瓷的電阻值將隨所處環(huán)境的氣氛而改變，其阻值隨氣體的濃度作有規(guī)則的變化。常見的半導(dǎo)體氣敏陶瓷有SnO2，ZnO，-Fe2O3，ZrO2等。表面吸附氣體分子后，電導(dǎo)率將隨半導(dǎo)體類型和氣體分子種類而變化。半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前可檢測(cè)的氣體有：碳?xì)湎禋怏w、H2、C2H5OH、CO、O2、鹵素氣體、SO2、NO、NH3、SiH4和煙霧等。

3.2.4光學(xué)敏感陶瓷材料半導(dǎo)體陶瓷受到光的照射后，由于能帶間的躍遷和能帶-能級(jí)間的躍遷而引起光的吸收現(xiàn)象，在能帶內(nèi)產(chǎn)生自由載流子，而使電導(dǎo)率增加。利用這種光電導(dǎo)效應(yīng)可制出檢測(cè)光強(qiáng)度的光敏元件。光敏材料主要用于光電二極管、光電池、光敏電阻器、紅外通信、火箭衛(wèi)星軌跡探測(cè)、導(dǎo)彈的制導(dǎo)定向與跟蹤以及紅外照相與偵察等。3.2.5壓力敏感陶瓷材料利用陶瓷的壓電效應(yīng)，可制成壓力傳感器。當(dāng)壓電陶瓷元件在某一方向上感受應(yīng)力時(shí)，在相應(yīng)的電極接頭處，產(chǎn)生與這些應(yīng)力成比例的開路電壓?？梢姡鶕?jù)壓電陶瓷的這種力敏特性，可將機(jī)械力轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)加以檢測(cè)。用作壓力傳感器的壓電陶瓷有BaTiO3、PbTiO3和PbTiO3-PbZrO3系陶瓷等。3.3高分子敏感材料利有高分子敏感材料可以制作溫敏、壓敏、力敏、熱敏、聲敏、氣敏、光敏、離子敏、生物敏等各種敏感元件。這種材料的主要特點(diǎn)是質(zhì)輕、透明、柔軟、易加工、成本低廉等。高分子敏感材料可分為導(dǎo)電性高分子材料、變換性高分子材料、生物傳感器用高分子材料、絕緣性高分子材料、高分子光纖等多種。導(dǎo)電性高分子材料主要有直接合成本身具有導(dǎo)電性的高分子材料和在高分子中摻入導(dǎo)電性物質(zhì)加以復(fù)合制成的高分子材料。前者的導(dǎo)電性是由于高分子中的主鏈有共軛體系或大分子的側(cè)鏈有電氣活性基團(tuán)所致。后者的導(dǎo)電性是大分子中加入導(dǎo)電性物質(zhì)(金屬、碳粉)造成的。敏感性高分子水凝膠高分子凝膠由具有彈性的交聯(lián)高分子網(wǎng)絡(luò)組成，有著固材料的機(jī)械強(qiáng)度，在網(wǎng)絡(luò)的間隙中能充滿液體，可保持濕潤(rùn)和柔軟，又能產(chǎn)生較為明顯的變形。凝膠的這種結(jié)構(gòu)決定了其在外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)可以改變形狀和大小。根據(jù)要求不同，高分子凝膠常做成凝膠小球或凝膠膜。它們能實(shí)現(xiàn)可逆變形，也能承受一定的靜壓力，這種流變特性與凝膠中流體的高摩擦性有關(guān)。對(duì)于凝膠球來說，具有可逆形變能力且用于生物物質(zhì)的工業(yè)分離中，使得分離效率大大提高，分離成本大大降低。對(duì)于凝膠膜來說，保持凝膠膜大小不變，那么膜內(nèi)的伸縮力會(huì)使膜孔發(fā)生脹大或縮小，從而改變膜的滲透性，這一機(jī)理應(yīng)用到了超濾膜的生產(chǎn)中，使超濾膜的功能大大提高。1.葡萄糖敏感水凝膠葡萄糖敏感水凝膠就是其溶脹度能隨環(huán)境葡萄糖濃度改變而改變的水凝膠。葡萄糖敏感水凝膠可以多種形態(tài)用于可自我調(diào)控的胰島素可控釋放體系。糖敏水凝膠的另一個(gè)重要用途是做為葡萄糖傳感器的敏感元件。新型葡萄糖敏感水凝膠的研制可能為實(shí)現(xiàn)血糖的長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。作為葡萄糖傳感器的敏感元件主要是利用糖敏水凝膠在不同濃度葡萄糖下溶脹度的變化，再將這種變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或光信號(hào)的變化，從而指示血糖濃度的變化。

2.溫敏水凝膠溫敏水凝膠最傳統(tǒng)的應(yīng)用之一就是物質(zhì)的富集與分離，具有的優(yōu)點(diǎn)是：（1）水凝膠容易再生，可反復(fù)使用（2）耗能少，操作條件不苛刻（3）不會(huì)被濃縮或分離物質(zhì)中毒（4）可根據(jù)要濃縮和分離的生物物質(zhì)的分子尺寸或分子性質(zhì)測(cè)定凝膠的交聯(lián)密度和單體單元結(jié)構(gòu)。3.壓敏水凝膠凝膠之所以表現(xiàn)出明顯的壓敏性，首先是因?yàn)樗鼈兙哂袦孛粜?，另外還因其相轉(zhuǎn)變溫度隨壓力的增加而有所升高，于是，當(dāng)溫度不變時(shí)，如果常壓下處于收縮態(tài)的凝膠因?yàn)閴毫Φ脑黾佣蛊渌帨囟鹊陀谙噢D(zhuǎn)變溫度的話，凝膠將發(fā)生大幅度的溶脹，從而證實(shí)了凝膠溫敏性與壓敏性的內(nèi)在聯(lián)系。4.光敏水凝膠水凝膠的光刺激溶脹體積變化是由于聚合物鏈的光刺激構(gòu)型的變化，即其光敏性部分經(jīng)光輻照轉(zhuǎn)變成異構(gòu)體。這類反應(yīng)為光異構(gòu)化反應(yīng)，而其光敏部分即為光敏變色分子，反應(yīng)常伴隨此類發(fā)色團(tuán)物理和化學(xué)性質(zhì)的變化如偶極矩和幾何結(jié)構(gòu)的改變，這就導(dǎo)致具有發(fā)色團(tuán)聚合物性能的改變。在紫外光輻射時(shí)，凝膠溶脹增重，而膨脹了的凝膠在黑暗中可退溶脹至原來的重量。5.電場(chǎng)敏感水凝膠這種水凝膠在電場(chǎng)的作用下可以快速彎向一側(cè)電極，表現(xiàn)出很好的電場(chǎng)敏感性。6.基于水凝膠的光纖光柵鹽度傳感器該傳感器是由一根光纖布拉格光柵和水凝膠包層組成。根據(jù)水凝膠吸水體積膨脹以及液體中鹽濃度等影響，使得光纖布拉格光柵的反射波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)。記錄光纖光柵布拉格反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量就可以得到被測(cè)鹽溶液的濃度變化。

圖3-23基于水凝膠的光纖光柵鹽度傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖試驗(yàn)中，以NaCl溶液作為被測(cè)溶液，濃度范圍為0.1mol/L-0.7mol/L。測(cè)量結(jié)果如圖3-24和圖3-25所示。圖中可看到，隨著氯化鈉溶液濃度的升高，光纖光柵布拉格反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量越來越大，氯化鈉溶液濃度達(dá)到0.7mol/L時(shí)，布拉格反射波長(zhǎng)移動(dòng)量達(dá)到0.08nm。圖3-24傳感器波長(zhǎng)移動(dòng)與鹽度變化關(guān)系圖3-25光纖光柵傳感器輸出波長(zhǎng)隨鹽度變化曲線3.3.2高分子液晶材料高分子液晶材料作為一類新型的特種高分子材料，已經(jīng)以纖維、復(fù)合材料和注模制件等形式應(yīng)用于航空、航海和汽車中。由于液晶能夠?qū)囟?、電?chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力或化學(xué)環(huán)境等訊號(hào)變成看得見的彩色圖樣，因此可以用來檢查材料內(nèi)部的缺陷和材料的均勻性。如無損探傷中所用的膽固醇型液晶膜，對(duì)溫度極為敏感，當(dāng)溫度變化時(shí)顏色隨之變化。這種用液晶作為溫度敏感元件的熱無損探傷法，已廣泛用于宇航、電子、醫(yī)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域。聚合物分散液晶(Polymerdispersedliquidcrystal，簡(jiǎn)稱PDLC)膜，是一種代表性的新型液晶高分子膜，具有電光響應(yīng)速度快、無泄漏、無需偏振片、制備工藝簡(jiǎn)單、可制成折疊式固態(tài)顯示器件等優(yōu)點(diǎn)，其在電光顯示方面具有很大的優(yōu)越性。3.3.3高分子氣敏材料氣敏材料的發(fā)展經(jīng)歷了由單一無機(jī)半導(dǎo)體向復(fù)合無機(jī)半導(dǎo)體、金屬有機(jī)半導(dǎo)體、共軛導(dǎo)電高分子、高分子/無機(jī)（納米）復(fù)合材料的發(fā)展過程。高分子氣體傳感器又可分為電阻型、電容型、石英振子型、聲表面波型、濃差型和極限電流型等。隨著納米材料的發(fā)展，出現(xiàn)了全新的一維線性材料——碳納米管。碳納米管是一種具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性能的新型納米材料

1.共軛導(dǎo)電高分子/碳納米管復(fù)合物高分子/碳納米管復(fù)合物可以提高碳納米管的氣體響應(yīng)靈敏度、回復(fù)性以及選擇性，簡(jiǎn)單化其制備工藝。2.非導(dǎo)電高分子/炭黑、碳納米管復(fù)合物非導(dǎo)電高分子/炭黑復(fù)合材料主要是通過復(fù)合物在被測(cè)氣體作用下發(fā)生一個(gè)可逆的膨脹，而引起材料自身電阻的改變來實(shí)現(xiàn)氣體的檢測(cè)

3.3.4高分子濕敏材料高分子濕度敏感材料與陶瓷型濕度敏感材料相比，具有量程寬、響應(yīng)快、濕滯小、制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究的重點(diǎn)。根據(jù)濕度傳感原理，高分子濕度敏感材料可分為電容型、電阻型、聲表面波型、光敏型等。1.高分子濕度敏感材料的分類（1）

電容型高分子濕度敏感材料（2）

電阻型高分子濕度敏感材料（3）

聲表面波（SAW）型與光敏型高分子濕度敏感材料（1）

電容型高分子濕度敏感材料電容型濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-31所示，它的感濕原理是基于高分子膜的介電常數(shù)（ε≈5）和水分子的介電常數(shù)（≈80）相差較大，隨著環(huán)境溫度變化，高分子膜吸附水分子的量不同，會(huì)改變其電容比，由此可測(cè)定相對(duì)濕度。典型響應(yīng)特性如圖3-32所示。

圖3-31電容型濕度傳感器結(jié)構(gòu)圖3-32電容型濕度傳感器響應(yīng)特性（2）

電阻型高分子濕度敏感材料高分子電阻濕度傳感器可分為兩類：①電子導(dǎo)電型；②離子導(dǎo)電型。其結(jié)構(gòu)如圖3-33所示。圖3-34為典型響應(yīng)特性曲線。圖3-33電阻型濕度傳感器結(jié)構(gòu)圖3-34電阻型濕度傳感器響應(yīng)曲線（3）聲表面波（SAW）型與光敏型高分子濕度敏感材料體積小、測(cè)試靈敏度高，可精確測(cè)定10%RH以下的低濕區(qū)，可靠性高、一致性好，且制造方便。聲面波（SAW）是一種沿物體表面?zhèn)鞑デ彝溉肷疃葴\的彈性波。SAW濕度傳感器可分為兩類：SAW諧振器（SAWRS）和SAW延遲線型（SAWOS）。其中SAWOS型應(yīng)用最多。光敏型濕度傳感器是將光敏物質(zhì)（一般為染料）與高分子材料混合制備濕敏膜。濕度不同，光敏物質(zhì)發(fā)光強(qiáng)度不同，由此可測(cè)知相對(duì)濕度。所用的濕敏材料有7-羥基香豆素系染料摻雜PMMA、磺鈦染料摻雜聚合物等。1）聲表面波（SAW）型2）光敏型2.羥乙基纖維素碳濕度敏感材料（1）

羥乙基纖維素碳的結(jié)構(gòu)與感濕機(jī)理羥乙基纖維素吸收水分后體積膨脹，摻入可導(dǎo)電的微?；螂x子可以將其體積隨環(huán)境濕度的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)楦袧癫牧想妼?dǎo)率的變化，從而測(cè)得環(huán)境的濕度。羥乙基纖維素（通?？s寫為HEC）的結(jié)構(gòu)式如圖3-38所示羥乙基纖維素之所以具有較好的吸水性能，主要是由于它含有許多羥基，可以與水分子形成氫鍵。圖3-38羥乙基纖維素分子的結(jié)構(gòu)（2）

羥乙基纖維素碳濕度敏感材料的濕敏特性1）感濕特性羥乙基纖維素碳濕度敏感材料，在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線，如圖3-39（a）所示。當(dāng)濕度大于90%RH的高濕段，感濕特性曲線具有負(fù)的斜率，這是由于混入浸涂液中的離子性雜質(zhì)所引起。在干燥和超凈條件下制得的器件，這一現(xiàn)象就極其輕微。

圖3-39羥乙基纖維素碳濕性敏感材料的感濕特性曲線

(a)吸濕和脫濕圖3-39（b）中給出了三種不同條件下制備的濕敏器件的感濕特性曲線。曲線A是理想的器件所應(yīng)具有的感濕特性曲線；曲線B為在正常批量生產(chǎn)中器件的感濕特性曲線；曲線C是在高濕和離子污染較重的條件下所得器件的敏濕特性曲線，另外在25℃和33.3%RH條件下，器件的濕滯迴線有一交叉點(diǎn)。對(duì)于一定的浸涂液，該點(diǎn)出現(xiàn)的位置是固定的，不同的浸涂液該點(diǎn)位置不同。圖3-39羥乙基纖維素碳濕性敏感材料的感濕特性曲線（b）不同制備條件（2）濕度特性羥乙基纖維素碳濕度敏感材料在不同溫度下的感濕特性曲線如圖3-40所示。該圖的縱坐標(biāo)為電阻比，它表示圖3-40羥乙基纖維素碳濕敏器件的溫度特性（3）響應(yīng)特性羥乙基纖維素碳濕度敏感材料的響應(yīng)特性如圖3-41所示。影響器件響應(yīng)特性的因素是多重的。器件最初的快速響應(yīng)相應(yīng)于感濕膜表面吸濕的結(jié)果，此段占全部阻值變化的85%左右。隨后的緩慢變化相應(yīng)于水分在感濕膜內(nèi)的擴(kuò)散。圖3-41羥乙基纖維素碳濕敏器件的響應(yīng)特性3.聚苯乙烯磺酸鋰濕度敏感材料這類器件的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)濕量程寬、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定而且成本低（1）聚苯乙烯磺酸鋰濕度敏感材料的濕敏特性1）感濕特性當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，聚苯乙烯磺酸鋰濕度敏感材料在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線如圖3-42所示。在整個(gè)相對(duì)濕度范圍內(nèi)器件均有感濕特性，并且其阻值與相對(duì)濕度的關(guān)系在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上為一直線。圖3-42聚苯乙烯磺酸濕敏器件的感濕特性2）溫度特性聚苯乙烯磺酸鋰是高分子的電解質(zhì)，故其電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯。器件的感濕特性曲線隨溫度的變化如圖3-43所示。器件具有負(fù)溫度系數(shù)。因而，在應(yīng)用該器件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖3-43聚苯乙烯磺酸濕敏器件的感溫特性3）感濕特性的穩(wěn)定性聚苯乙烯磺酸鋰濕度敏感材料具有較好的穩(wěn)定性，存貯一年后，對(duì)其感濕特性曲線重新測(cè)試的結(jié)果，如圖3-44所示，其最大變化不超過2%RH/年。完全滿足應(yīng)用要求。圖3-44聚苯乙烯磺酸鋰濕度敏感材料穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.3.5炭黑填充硅橡膠力敏材料炭黑填充硅橡膠復(fù)合材料的三相結(jié)構(gòu)模型，如圖3-45所示。圖中A相為未被炭黑粒子吸附的硅橡膠分子鏈，能夠進(jìn)行自由微布朗運(yùn)動(dòng)；B相是交聯(lián)的硅橡膠分子鏈，分子運(yùn)動(dòng)受到一定限制；C相為“殼層橡膠”在復(fù)合材料中，C相起“骨架”作用，它與具有彈性的A相和B相相連，構(gòu)成由炭黑與硅橡膠大分子鏈結(jié)合在一起的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于炭黑電阻率遠(yuǎn)比硅橡膠的小，因此，炭黑在硅橡膠基體中起著導(dǎo)電相的作用，復(fù)合材料也是一個(gè)三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

圖3-45殼層模型示意圖如圖3-46所示，當(dāng)炭黑間距小到足以發(fā)生接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)時(shí)，將形成“局部導(dǎo)電通道”。而當(dāng)局部導(dǎo)電通道貫穿復(fù)合材料基體時(shí)，將形成“有效導(dǎo)電通道”。

圖3-46有效（局部）導(dǎo)電通道示意圖圖3-48為炭黑填充硅橡膠——力敏橡膠的電鏡照片。圖3-49為對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行的壓力與實(shí)驗(yàn)電阻變化的關(guān)系曲線結(jié)果?？梢?，這種炭黑填充硅橡膠材料的電阻值對(duì)外界壓力有較好的敏感特性。

圖3-48力敏橡膠電鏡照片圖3-49壓力與力敏橡膠電阻的關(guān)系曲線3.4電流變敏感材料3.4.1概述電流變現(xiàn)象（效應(yīng)）是指“在外電場(chǎng)控制下，能在微秒量級(jí)的短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生黏度、阻尼性能及剪切強(qiáng)度可逆性變化的現(xiàn)象（或效應(yīng)）”。具有這種效應(yīng)的材料被稱為“電流變材料”，由于該材料在未加電場(chǎng)時(shí)一般呈液體狀態(tài)，故又稱為“電流變液體”（ERF）或“電黏性液體”。

ERF材料的特點(diǎn)在于：材料形態(tài)在固態(tài)屬性和液態(tài)屬性間快速轉(zhuǎn)變，響應(yīng)速度很高，為毫秒數(shù)量級(jí)或更低；材料表觀黏度的轉(zhuǎn)變，乃至從液態(tài)至固態(tài)的變化是完全可逆的；表觀黏度隨電場(chǎng)大幅度地?zé)o極變化，轉(zhuǎn)換可由一簡(jiǎn)單的電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行控制，從而主要用作為電-機(jī)特性轉(zhuǎn)化原件，并易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制；由于控制相變的能量極低，應(yīng)用中能耗量極低。3.4.2電流變現(xiàn)象和電流變效應(yīng)一種具有特殊組分和結(jié)構(gòu)的液體材料，在直流外電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生黏度可逆化快速變化的效應(yīng)被稱為“ER效應(yīng)”。電場(chǎng)強(qiáng)度增大，液體黏度增大階段稱為“正效應(yīng)”，而電場(chǎng)強(qiáng)度減小，黏度降級(jí)階段，稱為“負(fù)效應(yīng)”。電流變體的結(jié)構(gòu)及組成根據(jù)ERF的應(yīng)用情況，從原理上分析，具有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。①固定電極結(jié)構(gòu)——外力作用在ERF材料上，使ERF流過施加電壓的電極板之間[圖3-54(a)]。②滑動(dòng)電極結(jié)構(gòu)——兩極間通以電壓，外力作用在一個(gè)電極上，使電極以一定速率相對(duì)于另一電極運(yùn)動(dòng)[圖3-54(b)]。圖3-54ERF的不同電極結(jié)構(gòu)以上兩種電流變體電極結(jié)構(gòu)形式可用下述應(yīng)用實(shí)例加以說明。常用于測(cè)量ERF材料主要參數(shù)的同心圓柱流變儀（如Couette流變儀，圖3-55），即根據(jù)滑動(dòng)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中內(nèi)圓柱接電源，外圓筒接地，內(nèi)圓柱以角速度相對(duì)于外圓筒運(yùn)動(dòng)，外圓筒安裝在一測(cè)距傳感器上，根據(jù)角速度與轉(zhuǎn)矩值指示，可獲得ERF材料的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變、靜態(tài)屈服應(yīng)力、剪切應(yīng)變速度、電流密度等值。圖3-55Couette容器應(yīng)變儀原理示意圖另一種測(cè)量裝置（Lord公司的流動(dòng)夾具裝置，圖3-56），則是根據(jù)固定電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該裝置的工作狀態(tài)為一活塞結(jié)構(gòu)，裝置由一速度控制器調(diào)控可變速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再通過齒輪減速箱帶動(dòng)導(dǎo)桿，并隨之使滑塊移動(dòng)，滑塊帶動(dòng)活塞使ERF材料在套筒內(nèi)受到擠壓。工作電壓則施加于套筒兩側(cè)，由此便可測(cè)的材料的動(dòng)屈服應(yīng)力、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)與外加電場(chǎng)間的關(guān)系。圖3-56Lord流動(dòng)夾具裝置原理示意圖ERF通常由下列三個(gè)主要成分組成。連續(xù)介質(zhì)為電流變體具有液體特性的載體。分散介質(zhì)為不溶于連續(xù)介質(zhì)的親水（液）性多孔性懸浮微粒。為了使分散介質(zhì)微粒具有浸潤(rùn)性和滲透、分散、絮凝能力，避免沉淀效應(yīng)，且具有較優(yōu)良的穩(wěn)定性，應(yīng)該盡可能降低粒子的表面能力，還需引入表面活化劑，包括陰離子表面活化劑、陽離子表面活化劑及非離子型表面活化劑等。此外，尚常見引入的附加成分為水或其他極性液體。（1）連續(xù)介質(zhì)（溶劑）（2）分散介質(zhì)（懸浮粒子）（3）表面活化劑3.4.4電流變效應(yīng)機(jī)理

1.微粒極化成纖理論(靜電極化理論)該理論指出：“ERF效應(yīng)的根源是電極化現(xiàn)象，該效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于物質(zhì)的極化率。極化成纖理論能十分簡(jiǎn)單