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(duì)傳感器用敏感材料的基本要求 1/ 對(duì)于某種特定變量（物理、化學(xué)、生物等變量）具有較高的敏感性，能夠迅速將微小的變化準(zhǔn)確地、可重復(fù)地變換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。 2/ 在一定條件下，除了對(duì)所指定的一種變量敏感外，對(duì)其余變量都不敏感，能在環(huán)境中存在多種變量的復(fù)雜情況下，準(zhǔn)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(yīng)速度要快。 3/ 應(yīng)該具

2、有良好的環(huán)境適應(yīng)性。 檢測(cè)某種對(duì)象應(yīng)該明白用那種相應(yīng)的物理效應(yīng)。檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)對(duì)象所利用的物理效應(yīng)所利用的物理效應(yīng)應(yīng)力壓電效應(yīng)，PN結(jié)對(duì)壓力的響應(yīng)溫度R-T關(guān)系，熱電效應(yīng)光光電導(dǎo)、光伏效應(yīng)、光電子發(fā)射磁霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)8.1 力敏材料 力敏材料用于力學(xué)量傳感器，主要用于測(cè)量力、加速度、扭矩、壓力、流量等物理量。這些量的測(cè)量都與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。 力學(xué)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(xué)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(yīng)變片材料金屬應(yīng)變片材料 以金屬合金材料為主，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，使用方便，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過

3、程自動(dòng)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(yīng)變效應(yīng)。金屬材料的電阻值相對(duì)變化量（R/R）在一定范圍內(nèi)與材料的靈敏度系數(shù)K成正比，K標(biāo)志著材料的力電轉(zhuǎn)換能力。 （R/R），為材料的軸向應(yīng)變量 絲狀金屬未受外力作用時(shí)，（） 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(duì)變化率： R/R / 上式當(dāng)中， /為材料的軸向應(yīng)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(gè)因素的影響：材料的靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素的影響： 1/ 材料的應(yīng)變； 2/ 材料的電阻率的變化。

4、對(duì)于金屬或合金材料而言，哪一項(xiàng)是主要的，對(duì)于力敏半導(dǎo)體而言哪一項(xiàng)為主？ 金屬合金應(yīng)變計(jì)大都采用箔式應(yīng)變片，箔材以Cr-Ni合金和Cu-Ni合金為主，厚度為5-20m之間，應(yīng)變電阻的阻值為120-600歐姆。8.1.2 半導(dǎo)體力敏材料半導(dǎo)體力敏材料 主要是單晶硅。 原理：當(dāng)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(yīng)。半導(dǎo)體力敏材料的力-電轉(zhuǎn)換指標(biāo)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(guān)系： K=1+2+GE 對(duì)于金屬材料，GE項(xiàng)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(duì)于半導(dǎo)體材料，GE項(xiàng)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(shù)將材料直接沉積在襯底上，無需貼片工藝，減少了應(yīng)變計(jì)的零漂、蠕變和機(jī)械滯后，增加了可靠性。 應(yīng)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(shì)要小。4/ 應(yīng)變材料在測(cè)量范圍內(nèi)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(yīng)力而發(fā)生變化的情況

6、。元件名稱應(yīng)用的物理原理典型材料熱電偶塞貝克效應(yīng)PtRh/Pt，NiCr/NiAl電阻溫度計(jì)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(dǎo)體CTR （臨界溫度電阻器）臨界溫度特性VO2系列 實(shí)用熱敏傳感器元件名稱應(yīng)用的物理原理典型材料晶體管傳感器 PN結(jié)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(yīng)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(jì)(熱電偶) 將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。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(dǎo)體A和B的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(002 熱敏電阻傳感器 NTC型：半導(dǎo)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(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。)11(00TTeRRRT NTC半導(dǎo)磁一般為尖晶石結(jié)構(gòu)，AB2O4。 當(dāng)B位置的陽離子為可以變價(jià)的陽離子時(shí)，也就是二價(jià)和三價(jià)的

8、離子均占據(jù)B位時(shí)，才能形成半導(dǎo)體。由于B位離子間距小，電子云重疊幾率大些，可以實(shí)現(xiàn)電子交換。而正尖晶石結(jié)構(gòu)的晶體一般為大帶隙的絕緣體。 一定要注意我們所要面對(duì)的溫區(qū)：中、高溫還是低溫。對(duì)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(dāng)窄的溫度區(qū)間內(nèi)其電阻值有3-5個(gè)數(shù)量級(jí)的突變。其臨界溫度與組成密切相關(guān)。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(dǎo)化而得到。 BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷熱敏

9、電阻的工作機(jī)理：材料的勢(shì)壘高度與相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)，在Tc以下，很高，勢(shì)壘很低。在Tc以上， -T關(guān)系服從居里外斯關(guān)系，并且大大降低，勢(shì)壘升高。這個(gè)勢(shì)壘是指晶粒邊界上的肖特基勢(shì)壘。BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷室溫電阻率高，應(yīng)用受限，近年來開發(fā)了V2O3系材料。3 3雙金屬片溫度計(jì)雙金屬片溫度計(jì) 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(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)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(yīng)用電阻值隨電壓而變化的元件。電壓敏感陶瓷的性質(zhì) 電壓敏感陶瓷是指具有非線性伏安性，對(duì)電壓變化敏感的半導(dǎo)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(dāng)外加電壓超過這個(gè)臨界電壓時(shí)，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(huì)很快。 應(yīng)用領(lǐng)域：特殊的保安作用，大量應(yīng)用于電氣設(shè)備的過流（過壓）保護(hù)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(jīng)實(shí)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(jí)到達(dá)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(yīng)用廣、性能好的當(dāng)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(yīng)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(nèi)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(lǐng)域的應(yīng)用還存在局限性。如生產(chǎn)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(chǎn)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(shí)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(jié)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(jié)構(gòu)由三部分組成：由主晶相ZnO形成的導(dǎo)電良好的N型半導(dǎo)體晶粒；晶粒表面形成的耗盡的內(nèi)邊界層，添加物所形成的絕緣晶界層。當(dāng)外加電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，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(yīng)制成8.4 磁敏材料1883年，金屬導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)1951年，研究了強(qiáng)磁性薄膜的磁阻效應(yīng)20世紀(jì)50年代，發(fā)現(xiàn)InSb和InAs等材料具有極高的遷移率，促進(jìn)了磁敏電阻器的開發(fā)。20世紀(jì)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(jié)構(gòu)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(dǎo)體磁敏

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

14、量汽車速度測(cè)量:磁敏傳感器檢測(cè)限度)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ + lwx磁阻效應(yīng)：材料的電阻值隨外加磁場的大小而變化。當(dāng)在半導(dǎo)體材料上沿著與電流流向相垂直的方向加以外磁場時(shí)，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(dòng)，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(fù)無關(guān)；溫度系數(shù)影響大。 對(duì)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(huì)有所差異，即磁阻效應(yīng)的大小不同，此稱為幾何磁阻效應(yīng)。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(qiáng)磁性薄膜磁敏材料 主體材料為強(qiáng)磁性薄膜，工作原理是以強(qiáng)磁性材料的磁阻效應(yīng)為基礎(chǔ)。對(duì)于弱磁場的靈敏度很高，具有磁飽和特性。（磁各向異性效應(yīng)。） 強(qiáng)磁體磁阻效應(yīng)的基本特征：強(qiáng)磁性材料的磁化方向與電流方向的夾角不同時(shí)，其阻值將會(huì)發(fā)生變化。磁化方向垂直于電流方向時(shí)，阻值最小。 鎳-鐵合金薄膜：Ni含量低時(shí)，合金的結(jié)構(gòu)與-Fe一樣，為體心立方結(jié)構(gòu)；在鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%后與Ni相同，為面心立方結(jié)構(gòu)。在鎳的質(zhì)量分?jǐn)?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(guān)，對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)

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(dá)0.81.15 ml/L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。還有對(duì)易燃、易爆氣體、酒精等的探測(cè)也非常重要。煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)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(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時(shí)，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測(cè)氣體的濃度改變而變化。 氣敏氧化物半導(dǎo)體材料，一般都具有多孔結(jié)構(gòu)，氣體比較容易深入到材料內(nèi)部，使其體電阻發(fā)生明顯改變。 目前，人們對(duì)于半導(dǎo)體

17、氧化物的氣敏工作機(jī)理尚不十分清楚，定型的模型有：原子價(jià)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(shí)，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，這樣，材料的電阻率就發(fā)生了變化。當(dāng)然，還原性的可燃?xì)怏w脫離后或濃度減小后，材料應(yīng)該能夠復(fù)原，即反應(yīng)應(yīng)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(dǎo)體，以ZnO為主要原料制成的氣體傳感器對(duì)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(huì)更加改善。 對(duì)于兩個(gè)以上C原子的氣體檢測(cè)靈敏度高，而對(duì)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(shí)中傳感器的應(yīng)用非常廣泛

18、倒車?yán)走_(dá)倒車?yán)走_(dá)超聲波檢測(cè)傳感器超聲波檢測(cè)傳感器 魚群探測(cè)器魚群探測(cè)器 光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來測(cè)量位移亮度傳感器：亮度傳感器：通過檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比通過檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。達(dá)到節(jié)約電能的目的。半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 相機(jī)測(cè)距反射式光電傳感器相機(jī)測(cè)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(cè)型光電傳感器光纖檢測(cè)型光電傳感器作業(yè)件檢測(cè)作業(yè)件檢測(cè)光纖傳感器光纖傳感器顏色檢測(cè)顏色檢測(cè)熱輻射檢測(cè)傳感器熱輻射檢測(cè)傳感器 絕對(duì)零度以上的物體都有輻射，其強(qiáng)度依絕對(duì)零度以上的物體都有輻射，其強(qiáng)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(yīng)特性、線選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面性范