敏感材料2答案

1、敏感材料與傳感器作業(yè)(1、2次合并)1.解釋：傳感器、傳感器技術(shù)、敏感材料、磁阻效應、雙金屬敏感元件、LB膜、SA膜、形變規(guī)、約瑟夫遜(Josephson效應、色譜法、形狀記憶現(xiàn)象、陶瓷材料、壓電效應、熱釋電效應、空穴、有效質(zhì)量、壓阻效應(1)傳感器：能感受被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成。(2)傳感器技術(shù)：是一個匯聚物理、化學、材料、器件、機械、電子、生物工程等多類型交叉學科，涉及傳感檢測原理、傳感器件設(shè)計、傳感器開發(fā)和應用的綜合技術(shù)。(3)敏感材料：是指對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測量的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。(4)

2、磁阻效應：物質(zhì)在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。(5)雙金屬敏感元件：是將熱膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片貼合而成的敏感元件。(6) LB膜：將含有親水基和疏水基的兩性分子在水面上形成的一個分子層厚度的膜(即單分子膜)，以一定的方式累積到基板上的技術(shù)。(7) SA膜：具有一定功能特性的分子通過化學鍵作用自發(fā)吸附在固/液或氣/固界面而形成的熱力學穩(wěn)定和能量較低的有序膜。(8)形變規(guī)：利用物質(zhì)因受力而使其電阻發(fā)生變化的敏感元件。(9)約瑟夫遜(Josephson效應：在兩超導體間插入納米量級的絕緣體，超導電流會從一塊超導體無阻通過絕緣層到另一塊超導體。(10)色譜法：使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相

3、是不動的(固定相),另一相(流動相)攜帶混合物流過此固定相，與固定相發(fā)生作用，在同一推動力下，不同組分在固定相中滯留的時間不同，依次從固定相中流出，又稱色層法，層析法。(11)形狀記憶現(xiàn)象：在點Ms生成的馬氏體在溫度降低的同時慢慢成長。若消除來自馬氏體相變狀態(tài)的晶體應力，且又加熱，則馬氏體產(chǎn)生與相變時相反的品格剪切，從而返回原來的晶體結(jié)構(gòu)。(12)陶瓷材料：利用陶瓷的物理性質(zhì)對力、電、磁、熱、光等的敏感特性可以制成種類繁多的陶瓷功能材料。(13)壓電效應：某些物質(zhì)在特定方向施加應力發(fā)生形變就會產(chǎn)生電荷，反之，若施加電壓則會產(chǎn)生機械形變的現(xiàn)象。(14)熱釋電效應：隨著溫度的變化，晶體因結(jié)構(gòu)上的變

4、化導致電荷中心相對位移，而發(fā)生自發(fā)極化，從而在其兩表面產(chǎn)生異號的束縛電荷的現(xiàn)象。(15)空穴：共價鍵中的一些價電子由于熱運動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成為自由電子，同時在共價鍵上留下空位，稱這些空位為空穴。(16)有效質(zhì)量：并不代表正真的質(zhì)量，而是代表能帶中電子或空穴受到外力時，外力與加速度的系數(shù)，它概括了半導體內(nèi)部勢場的作用。(17)壓阻效應：應力的作用下半導體晶體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變載流子遷移率和載流子密度的。2. 傳感器技術(shù)的發(fā)展動向表現(xiàn)在哪幾個方面？傳感器的發(fā)展方向表現(xiàn)在哪幾個方面？(1)傳感器技術(shù)發(fā)展動向：新效應，新材料、新功能的開發(fā)應用。微機械加工工藝的發(fā)展。傳感器

5、的多功能化發(fā)展。研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。(2)傳感器發(fā)展的方向：傳感器的多功能化、集成化、數(shù)字化、智能化和高精度。3. 信息技術(shù)的三大支柱技術(shù)是哪些？分別具有什么作用？傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)。傳感器技術(shù)作用采集信息，通信技術(shù)的作用是傳輸信息，計算機技術(shù)是處理信息。4. 傳感器研究的基本思路是怎樣的？(1)敏感材料機理研究(2)選擇合適的敏感材料(3)設(shè)計合適的傳感功能結(jié)果(4)傳感器制備工藝研究(5)傳感器性能測試(6)后端信號處理電路研究和傳感器應用研究5. 傳感器的基本構(gòu)成型式有哪幾種？試畫圖弁簡要說明各自的特點。自源型，激勵源型，外源型，三種補償型。自源型：（a）不需要外

6、能源；（b）其傳感元件具有從被測對象直接吸取能量，弁轉(zhuǎn)換成電量電效應；（c）輸出能量較大。激勵源型：需要使用磁鐵等輔助能源對傳感器進行激勵，從而獲得輸出信號。元件韓期能通外源型：它必須通過帶外電源的變換電路，才能獲得輸出信號環(huán)境量輸入敏感元件輸出轉(zhuǎn)換電路三種補償性：（1）相同傳感器的補償型：使用兩個原理和特性一樣的敏感元件，其中一個接受輸入信號和環(huán)境影響，另一個只接受環(huán)境影響,通過電路，利用后者消除前者的環(huán)境干擾影響。環(huán)境域補償用敏感元件輸入。應）:電7r:輸出Il二rJF!11Uf'電源（2）差動結(jié)構(gòu)補償型：采用了兩個原理和特性完全相同的轉(zhuǎn)換元件，同時接收被測輸入量，弁置于同一環(huán)境中

7、，巧妙的是，兩個轉(zhuǎn)換元件對被測輸入量作反向轉(zhuǎn)換，對環(huán)境干擾量作同向轉(zhuǎn)換，通過變換（測量）電路使有用輸出量增加，干擾量相消。環(huán)境?輸+/敏感元件簟入r敏感元件'（轉(zhuǎn)換電潞t電源（3）不同傳感器的補償型：其中一個接受信號，弁已知其受環(huán)境影響的特性，另一個接受環(huán)境影響量，弁通過電路向前者提供等效的抵消環(huán)境影響的補償信號。環(huán)境量輸入補彳感元件感元件）輸出h轉(zhuǎn)換電路電源6 .磁阻效應有哪兩類？它們有什么區(qū)別？可分為物理磁阻效應和幾何磁阻效應。物理磁阻效應是指長方形半導體片收到與電流方向垂直的磁場作用時所產(chǎn)生的電流密度下降，電阻率增大的現(xiàn)象；幾何磁阻效應是指在相同磁場作用下，由于半導體片幾何形狀的

8、不同而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象，幾何磁阻效應又稱為形狀效應。（書上）可分為基于霍爾效應的普通磁阻效應和強磁性體中各向異性磁阻效應。區(qū)別：基于霍爾效應的磁阻效應使沿外加電場方向運動的載流子數(shù)量減小，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應;而各向異性磁阻效應則是外加磁場偏離內(nèi)磁場方向時，電阻減小，若外加磁場方向平行于內(nèi)磁體磁化方向時，電阻幾乎不隨外磁場變化。（ppt上）7 .常見的金屬熱敏電阻有哪些？鉗、銅、鐵和銀8 .磁致伸縮產(chǎn)生的原因有哪些？磁偶極矩變化而產(chǎn)生品格離子位置的偏移，磁彈性結(jié)合能變化引起品格離子位置的偏移，以及由自旋引起的傳導電子云分布的變化等。9 .約束超導現(xiàn)象的三大臨界條件是哪三個？臨界

9、溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC10 .簡述化學敏感元件的基本工作機制物理吸附?；瘜W吸附?；瘜W反應。氣體成分分子深入固體中。氣體成分分子透過固體。11 .簡述氧化物半導體在氣敏元件中的應用。氧化物半導體上吸附氧后測量吸附熱、伴隨吸附的電導率變化、功函數(shù)的變化等，可以為氣敏元件探測氧的含量提供依據(jù)。12 .描述陶瓷材料中熱敏電阻的分類，弁給出每種類型熱敏電阻的代表性材料。(1) NTC熱敏電阻是具有隨溫度升高而電阻指數(shù)減小的負溫度系數(shù)的元件。大部分NTC熱敏電阻材料是Fe、Ni、Co、Mn等過渡金屬氧化物，多數(shù)情況下是由具有尖晶石型、巖鹽型、黑鎰礦型、方鐵鎰礦型等晶型的化合物或其混合

10、物組成的。(2) PTC熱敏電阻是在某一溫度范圍內(nèi)其電阻呈非線性顯著增加，且整體具有正的溫度系數(shù)的元件。PTC材料目前采用的是鈦酸粉(BaTiO3)系半導體。(3) CTR熱敏電阻是驟變熱敏電阻或臨界熱敏電阻，代表材料是VO2系材料。13 .請畫出壓電陶瓷的制備工藝流程圖14 .試比較物理吸附與化學吸附的差異物理吸附化學吸附選擇性沒有有（化合）吸附熱（kJ-mol0液化熱（8-20）化學反應熱（40800）吸附力范德華力化學鍵可逆性容易脫附難于脫附吸附層一層以上一層以下活化能幾乎沒有850kJ-mol1吸附速率快比較慢15.試簡述金屬氧化物陶瓷材料敏感機理？弁以此說明n或p型金屬氧化物材料中吸

11、附氣體性氣體和還原性氣體后，其導電率分別發(fā)生怎樣的變化？吸附分子與固體相互作用（電子授受）的結(jié)果往往被離化。一如果吸附分子的分子軌道的最高被占能級在固體空的能級之上，則產(chǎn)生由吸附分子到固體表面的電子躍遷，吸附分子帶正電荷。反之，如果分子有空的能級在固體的費米能級以下，則吸附分子接受電子，帶負電荷。一因此表面電導發(fā)生大的變化。n型半導體吸附還原性氣體時，還原性氣體將電子交給半導體，而以正電荷與半導體相吸著，進入n型半導體內(nèi)的電子，束縛其少數(shù)載流子的空穴，使空穴與導帶上參與導電的自由電子復合幾率減少，這實際上是加強了導電能力，因而減少了元件的電阻值。與此相反，若n型半導體吸附氧化性氣體時，氣體以負

12、離子形式吸著，而將空穴給予半導體，其結(jié)束是使導帶電子數(shù)目減少，而使元件電阻值增加。P型半導體與n型半導體變化相反。16 .陶瓷材料有哪四種極化機制？（1）電子極化（由原子內(nèi)的電子與核的相對位置的變化而產(chǎn)生的極化）；（2）離子極化（在離子性化合物中，由于正、負離子的重心偏移而產(chǎn)生的極化）；（3）定向極化（由于對偶極矩電場取穩(wěn)定方向而產(chǎn)生的極化）；（4）空間電荷（界面）極化（在多品等不均勻電介質(zhì)中，由于電荷載體聚集在特定空間或界面而產(chǎn)生的極化）。17 .壓電陶瓷與壓電晶體的壓電機理有何區(qū)別？壓電陶瓷需要經(jīng)過極化之后才具有壓電效應，而壓電晶體本身就具有壓電效應。18 .基于熱釋電效應的紅外敏感材料應

13、該滿足什么要求?(1)充分吸收入射的紅外線。(2)為了使與吸收的熱能相對應的溫度上升的幅度大，應該使用體積比熱小，微型化或薄膜化的材料。(3)與溫度升高相對應的表面電荷變化大，即熱電系數(shù)入=dPr/dT大。當室溫的Pr(剩余極化)大，且Tc(居里溫度)適當高時，入變大。Tc一低入就大，但使用溫度受到限制，且入隨溫度變化變大。(4)與表面電荷變化相應的電容小，且可產(chǎn)生大的電壓。(5)作為噪聲源之一的tan8小。19 .在32種晶體點群中，有多少種具有壓電效應，又有多少種具有熱釋電效應？(補充說明：在32個晶體點群(見晶體的對稱性)中有11個具有對稱中心；有對稱中心的晶體壓電張量的所有分量均等于零

14、，它們都不是壓電體。屬于點群432的晶體雖無對稱中心，但其對稱性較高，也沒有壓電性。)20種晶體點群具有壓電效應，10種具有單一極軸的晶體點群具有熱釋電效應20 .簡述鐵電體與壓電體和熱釋電體關(guān)系。鐵電體必然具有壓電性和熱釋電性；具有熱釋電性的晶體，必定具有壓電性，但并不一定具有鐵電性；壓電晶體比如水晶、錯酸潮等不具有熱釋電性和鐵電性。當然，談到某種具體是用于壓電體還是鐵電體，不能離開具體的溫度條件，只有在鐵電居里點以下，晶體才會呈現(xiàn)鐵電，段電力久上0次感售II庫一鐵電體21 .試例舉3-4個半導體的重要特性。溫度升高使半導體導電能力增強，電阻率下降（NTC）微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導體的導

15、電能力（摻雜效應）適當波長的光照可以改變半導體的導電能力（光電效應）導電能力還隨電場、磁場等的作用而改變（霍爾效應等）22 .簡述半導體電學性質(zhì)與溫度的依賴關(guān)系。（1）半導體中的電子遷移率的溫度依賴性（硅）在高溫側(cè)遷移率下降是由于晶格振動產(chǎn)生的散射引起的，低溫側(cè)遷移率下降是雜質(zhì)散射引起的。對于施主濃度高的樣品遷移率整體變小，且很快移向低溫區(qū)。（2）n型半導體的傳導電子密度的溫度依賴關(guān)系高溫側(cè)，載流子密度以exp（Eg/2kT）的斜率成指數(shù)地劇增,而在低溫側(cè)，由施主雜質(zhì)提供的傳導電子隨溫度的增加而增力口；中溫區(qū)，不變。（3）費米能級的溫度依賴關(guān)系在低溫下費米能級靠近施主能級，但在高溫下移到帶隙中央附近，且傳導電子和價帶空穴幾乎以等密度激發(fā)。23 .高分子材料的基本性質(zhì)有哪些？高聚物分子量大。高聚物的分子量具有多分散性。高聚物分子的空間結(jié)構(gòu)排列復雜。一般高分子材料都有比重小、強度大、電絕緣性能好、耐化學腐蝕等特點。24 .與無機敏感材料相比，有機敏感材料有哪些優(yōu)點？(1)容易加工、容易做成均勻大面積材料；(2)設(shè)計、合成新結(jié)構(gòu)分子的自由度大，從而帶來了敏感材料的多樣性；(3)可實現(xiàn)在無機敏感材料中難以達到的識別功能。25 .簡述高分子材料的結(jié)構(gòu)層次。近程結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元的化學組成、鏈接方式、立體構(gòu)型和空間排列、文化和交聯(lián)r高聚物J結(jié)構(gòu)1L遠程結(jié)構(gòu)單個高