生物醫(yī)學傳感器全解說課材料

1、生物醫(yī)學傳感器全解2.4.1.彈性特性： 作用在彈性元件上的外力與其相應(yīng)變形間的關(guān)系。如圖(1).剛度：剛度：彈性元件受外力作用下變形大小的量度。 F 作用外力 X 變形彈性特性曲線上某點切線水平線夾角的正切為該點的剛度。dxdFk dxdFtgk 串聯(lián)時，系統(tǒng)的靈敏度為： 靈敏度高，剛度小 1niiKK 并聯(lián)時，系統(tǒng)的靈敏度為： 靈敏度低，剛度大niiKK111(2).靈敏度：靈敏度： 單位力產(chǎn)生變形的大小，是剛度的倒數(shù)。dFdxK 2.4.2 彈性滯后和彈性后效(1).(1).彈性滯后：彈性滯后：彈性特性曲線的加載曲線與去載曲線不重合的現(xiàn)象。如圖2.28所示。滯后誤差：滯后誤差：彈性變形之

2、差，直接產(chǎn)生測量誤差。2.2.彈性后效：彈性后效：當載荷改變后，在一定時間間隔逐漸完成變形的現(xiàn)象。如圖2.29所示。 彈性后效現(xiàn)象使彈性敏感元件的變形始終不能迅速跟隨作用力的改變而改變，造成測量誤差，尤其在動態(tài)測量中影響較大。 所以 提高靈敏度K ，會使線性變差，固有振動頻率 、 。00f提高 、 ，靈敏度K會降低，需綜合考慮。 00f0f2.4.3.2.4.3.固有振動頻率固有振動頻率: :由振動質(zhì)量和材料剛度綜合表征的彈性元件特征。決定彈性元件的動態(tài)特性和變換被測參數(shù)的滯后作用，希望 （或 ）高。 k 彈簧剛度因為 me 等效振動質(zhì)量 emk00emkf2101Kk4.4.固有頻率與彈性元

3、件的變形固有頻率與彈性元件的變形dxdx以及材料性能的關(guān)系以及材料性能的關(guān)系 S 截面積， 長度， 密度 彈性元件相對變形： ， 式中 E彈性摸數(shù)， 應(yīng)力， lSmEldxdxlE202111/11222221122SEdx dxkdF dxdxdxlfmSlSllldxEEdxEdxf20最后可得：可知彈性元件 的乘積對于特定材料是有一個極限值的， 達到許用應(yīng)力時，dx大， 就只能小，反之亦然。dxf 00fl2.4.4.2.4.4.彈性敏感元件的形式及其應(yīng)用范圍彈性敏感元件的形式及其應(yīng)用范圍力、壓力 輸入輸出應(yīng)變各種應(yīng)變傳感器位移電感、電容式、電阻式等傳感器三種形式：力變換彈性元件：如圖2

4、-30所示 軸狀元件軸狀元件：優(yōu)點：工藝性好；缺點：位移量小，靈敏度受限lElf29.00空心圓筒空心圓筒：優(yōu)點：靈敏度高 圓環(huán)：圓環(huán)：優(yōu)點：靈敏度高，輸出位移大，測量力??；缺點：工藝性差，應(yīng)力不等，尺寸小。懸臂梁懸臂梁：優(yōu)點：靈敏度高，輸出位移大 lElhf20162.0變截面梁變截面梁 ：lElhfx20316.0壓力變換彈性元件：如圖3-31所示彈簧管彈簧管：高壓測量薄壁圓筒薄壁圓筒：均勻應(yīng)力，熱慣性小。力或應(yīng)力彈性變換元件：如圖3-32所示 平面膜片平面膜片：適于大量程 lErhf20492. 0波紋膜片：波紋膜片：適于小量程，靈敏度高 波紋管：波紋管： 靈敏度最高 （相當于串聯(lián)系統(tǒng)）

5、2.4.5 2.4.5 常用敏感元件的形式及原理壓磁效應(yīng)：壓磁效應(yīng)：材料受壓力時，作用力方向磁導率減小，作用力垂直方向，略有增大。受拉力時，效果相反； 作用力取消后，磁導率復原。壓電效應(yīng)壓電效應(yīng):某些電介后物質(zhì)在一定方向上受外力作用，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷，外力去掉重回到不帶電狀態(tài)。 機械能電能。熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)（塞見克效應(yīng)）： 兩種不同導體組成閉合回路，如兩接點溫度不同，回路中會產(chǎn)生電動勢，有電流流過。關(guān)于上表中幾種效應(yīng)的解釋光電導效應(yīng)： 光照射到大多數(shù)高電阻率半導體材料，電子吸收光能過渡到自由狀態(tài)，引起該材料電阻率下降而易于導電的現(xiàn)象。如光敏電阻。光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)（內(nèi)光電效

6、應(yīng)）： 在光照射下，結(jié)面產(chǎn)生光生電動勢。如光電池、光電二極管、光電三極管。關(guān)于上表中幾種效應(yīng)的解釋2-3傳感器敏感材料2.3.1半導體敏感材料 半導體材料按化學組成可分為元素半導體、化合物半導體、有機半導體等。 半導體內(nèi)載流子濃度可在很寬范圍內(nèi)變化。根據(jù)這種變化能控制其電阻阻值，這是半導體的最大特征。外部對半導體的作用能改變半導體內(nèi)電子的運動狀態(tài)和數(shù)目，故外部作用的大小可轉(zhuǎn)換成電信號。半導體的這種電子特征，就是半導體敏感元件的特征基礎(chǔ)。(1)元素半導體 1）單晶硅v 目前的固態(tài)傳感器大部分是用單晶硅材料制造，因為單晶硅具有優(yōu)良的機械、物理特性，材質(zhì)純，內(nèi)耗低，功耗小。單晶硅的機械品質(zhì)因數(shù)很高，

7、滯后和蠕變極小，幾乎為零，機械穩(wěn)定性好。v 單晶硅又是半導體材料，具有優(yōu)良的電學性質(zhì)其壓阻效應(yīng)取決于晶向。v 單晶硅的應(yīng)變靈敏系數(shù)比金屬的高12個數(shù)量級。v 單晶硅傳感器的制造工藝與硅集成電路工藝有很好的兼容性。硅傳感器與調(diào)理電路單片集成可實現(xiàn)微型化、低功耗，并有利于提高傳感器的一致性、可靠性和快響應(yīng)。 2）多晶硅v 多晶硅是許多單晶（晶粒）的聚合物，這些晶粒的排列是無序的。不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)都具有單晶的特征。v晶粒大小對壓阻效應(yīng)也有一定形響，晶粒越大，壓阻效應(yīng)越大，即應(yīng)變靈敏系數(shù)越大（單晶情況下為最大）。v多晶硅壓阻膜與單晶硅壓阻膜相比，其優(yōu)點是可在不同襯底材料上制作。如

8、金屬材料襯底，而制備過程與常規(guī)半導體工藝相容，且無PN結(jié)隔離問題，因而有良好的溫度穩(wěn)定性。多晶硅壓阻膜的應(yīng)變靈敏系數(shù)雖比單晶硅膜低但仍比金屬高一個數(shù)量級。用多晶硅壓阻膜可有效抑制傳感器的溫漂，是制造低溫漂傳感器的好材料。（2）化合物半導體v 大多數(shù)化合物半導體具有類似于單元素半導體的結(jié)構(gòu)特點和電特性其優(yōu)點是具有較寬的禁帶范圍和遷移率。v CaAs（砷化鎵）、InP(磷化銦）、GaP（磷化鎵）應(yīng)用很廣，是微波、光電器件的主要材料；v InSb、InAs的禁帶窄，電子遷移率高，主要用于制造紅外器件及霍耳器件。v利用金屬氧化物的半導體性質(zhì)可作為溫度、濕度或氣體敏感元件材料（3）非晶半導體v非晶半導體

9、有容易薄膜化、對可見光的光吸收系數(shù)大、禁帶寬區(qū)可控制的特點，可作為光敏元件材料。v同時，由于淀積溫度低（200300），可使用多種材料作襯底，并可大面積淀積，適用于制造薄膜式傳感器，用以感受壓力分布和識別形狀。v具有種種特異現(xiàn)象（光誘導晶化和結(jié)構(gòu)變化、光摻雜、開關(guān)、存儲），已開發(fā)應(yīng)用于開關(guān)器件、大陽能電池及光電導器件。 （4）硅藍寶石 硅藍寶石材料是在藍寶石襯底上應(yīng)用外延生長技術(shù)形成的硅薄膜。由于襯底是絕緣體，可以實現(xiàn)元件間的分離，且寄生電容小，可工作在較高的溫度下（300）。藍寶石的機械強度是體形硅的2倍多，蠕變極小，優(yōu)于單晶，且耐輻射，耐腐蝕，化學穩(wěn)定性好。2.3.2石英敏感材料 （1）石

10、英晶體v 石英晶體為各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性。v 石英晶體又具有壓電特性，即其彈性和電學性質(zhì)為相互耦合。其壓電矩陣僅有兩個獨立的壓電系數(shù)d11、d14。v 石英晶體又是絕緣體，在其表面淀積金屬電極引線，不會產(chǎn)生漏電現(xiàn)象。v石英晶體和單晶硅一樣，具有優(yōu)良的機械物理性質(zhì)，材質(zhì)純、內(nèi)耗低、功耗小。2.3.3 功能陶瓷材料（1）壓電陶瓷材料 壓電體的壓電效應(yīng)與其極化強度的變化有關(guān)。并非在任何力（或電場）作用下在任何方向都能產(chǎn)生壓電效應(yīng)，而只是在某些方向的力（或電場）作用下，沿某些特定方向才產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（2）熱釋電陶瓷材料v 熱釋電材料包括單晶體、陶瓷材料、有機高分子材料及薄膜材料，其主要特點是隨溫度的變化會引起晶體自發(fā)極化的變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷。也就是說，熱釋電效應(yīng)是由于晶體中存在著自發(fā)極化所引起的。 v利用熱釋電材料構(gòu)成的敏感元件，它能以物體輻射的紅外線作為熱源，從而進行非接觸檢測。這種紅外線熱敏元件的特點： 能非接觸、高靈敏度、寬范圍（80一1500）檢測溫度； 對波長依賴性小，能檢測任意紅外線； 能在常溫工作； 快速響應(yīng)。 （3