第四講傳感器功能材料

傳感器技術(shù)是利用各種功能材料來實現(xiàn)檢測目的的一門應(yīng)用技術(shù)。各種功能材料是傳感器技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，新傳感器的研發(fā)離不開新材料的應(yīng)用。所謂功能材料是指那些具有特定的光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化功能，并應(yīng)用于現(xiàn)代高新技術(shù)中的材料。它們優(yōu)良的物理、化學(xué)、生物學(xué)性能可以用來制造傳導(dǎo)信息、存儲或記錄、轉(zhuǎn)化或交換能量的功能元器件。按其性能稱為磁性材料、電阻材料、光學(xué)材料；或按其材質(zhì)稱為特殊合金、精密合金、特種陶瓷、功能高分子材料等。功能材料分類如下圖。第四講傳感器功能材料⑴感知功能：能夠檢測并且可以識別外界（或者內(nèi)部）的刺激強度。⑵響應(yīng)功能：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并且反應(yīng)靈敏、及時和恰當(dāng)。⑶信息識別與積累功能：能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。⑷恢復(fù)功能：當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。⑸智能功能：部分材料還具有自診斷、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)等智能功能。敏感材料的功能⑴敏感性好：包括靈敏系數(shù)高、響應(yīng)速度快、適用范圍寬、檢測精度高、動態(tài)特性好、輸出特性易于調(diào)整和補償、選擇性好等。⑵可靠性好：包括耐熱、耐磨損、耐腐蝕、耐振動、耐過載等。⑶加工性好：包括易成型、批量生產(chǎn)實現(xiàn)集成化、尺寸穩(wěn)定、互換性好等。⑷經(jīng)濟性好：包括成本低、成品率高、性能/價格比高等。敏感材料的特征一、半導(dǎo)體材料1.半導(dǎo)體材料的特性室溫下半導(dǎo)體電導(dǎo)率為10-9~10-3S/m。半導(dǎo)體電導(dǎo)率的基本公式為2.半導(dǎo)體材料的分類（1）元素半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用是硅，90%以上的半導(dǎo)體器件和電路用硅制作，此外還有硒、鍺。本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體（2）化合物半導(dǎo)體材料3.半導(dǎo)體硅材料優(yōu)點：優(yōu)異的機械特性，便于批量生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)和微機電元件；與集成電路工藝兼容；微機械和為電子線路便于集成。（1）單晶硅為各向異性材料，有良好的機械性能和導(dǎo)熱性能。例如，單晶硅的密度為不銹鋼的1/3.5，而彎曲強度是不銹鋼的3.5倍，可見其強度-密度比和剛度-密度比均較高。單晶硅的熱導(dǎo)率為不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數(shù)只有不銹鋼的1/7，與低膨脹材料連接時，可避免熱應(yīng)力產(chǎn)生。90%以上大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路都是制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。在一塊硅片上制作集成電路、微傳感器、微結(jié)構(gòu)等構(gòu)成MEMS系統(tǒng)，可實現(xiàn)傳感器技術(shù)的微型化、集成化、智能化、批量化.多晶硅是由硅的微晶粒組成的，這些晶粒的尺寸在0.1到十幾微米之間，無序排列，不同晶粒有不同的單晶取向，晶粒之間的部位叫晶界。晶界對多晶硅電特性的影響可以通過摻雜原子濃度調(diào)節(jié)。多晶硅具有同單晶硅類似的機械性能，只不過沒有晶面，在受到相對比較低的應(yīng)力時就會發(fā)生破裂。多晶硅的制作一般利用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）將硅材料沉積在基片表面獲得，也可以用增壓化學(xué)沉積（PECVD）法生長多晶硅。多晶硅電阻率高于單晶硅，并隨摻雜原子濃度變化較大多晶硅電阻溫度系數(shù)隨摻雜濃度在很大范圍變化，適合制作熱敏電阻。（2）多晶硅

氧化硅（SiO2）、碳化硅和氮化硅（Si3N4）氧化硅是非常有用的電子材料，其介電常數(shù)低，電阻率非常高，且容易成形、粘附力強。氧化硅通過熱氧化或沉積（常壓化學(xué)氣相沉積AVCD、低壓化學(xué)氣相沉積LCVD、等離子增壓化學(xué)氣相沉積PECVD）法生成。

微傳感器之材料技術(shù)氧化硅可用作多層金屬之間的絕緣層、腐蝕掩膜、離子注入和擴散掩膜等。（3）硅化合物氮化硅的電阻率非常高，介電常數(shù)低，是一種優(yōu)良的電子材料。比起硅材料本身，氮化硅可耐受多種化學(xué)腐蝕。氮化硅比氧化硅絕緣性能更好，常用于在器件之間以及器件與襯底材料之間提供絕緣。碳化硅是一種性能優(yōu)良的制模材料，硬度高，特別在高溫下耐化學(xué)腐蝕性能好，可用于制作高溫壓力傳感器的壓敏膜片。（4）鍺，砷化鎵鍺是一種單晶材料，電子遷移率約為硅的2.5倍，霍爾系數(shù)為硅的2倍，適合制作霍爾器件。單晶硅和鍺可以通過摻雜工藝制成光敏電阻，但硅靈敏度更大，工作波長約為0.8微米，鍺約為1.4微米。砷化鎵是一種半導(dǎo)體化合物，是霍爾元件的理想材料，其缺點是屈服強度低，僅為硅的1/3，因此不適合作基底材料。利用的物理現(xiàn)象相應(yīng)的元器件所用的材料壓阻效應(yīng)應(yīng)變片Si、Ge、GaP、InSbPN結(jié)的變化感壓二極管、三極管Si、Ge電阻變化熱敏電阻、測輻射器Si、Ge、金屬氧化物等P、N間的感壓電勢，半導(dǎo)體與金屬間的電勢熱電偶Si、GaAs、、、光電效應(yīng)攝像管、光電池CdS、PbS、、、光電勢效應(yīng)光二極管、CCD磁阻效應(yīng)磁阻器件InSb、Si、GeI層中的電勢效應(yīng)PIN光電二極管霍爾效應(yīng)霍爾元件、霍爾IC、、Si、Ge、InSb、、、利用半導(dǎo)體材料制作的各種傳感器二、功能陶瓷材料指利用材料的電、磁、聲、光、熱等方面直接的或耦合的效應(yīng)以實現(xiàn)某種使用功能的多晶無機固體材料。功能陶瓷一般通過高溫?zé)Y(jié)制成，其一般工藝流程為：

原料粉體→預(yù)處理→成形→燒結(jié)→加工→制品與傳感器有關(guān)的常用功能陶瓷類別：壓電陶瓷：超聲波發(fā)生器、換能器半導(dǎo)體陶瓷：熱敏、壓敏、光敏、氣敏、濕敏器件熱釋電陶瓷超聲波壓電陶瓷片的形式超聲波接觸式直探頭

常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm

外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護膜接插件各種超聲波接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz熱敏電阻

熱敏電阻是由兩種以上的金屬氧化物如Mn、Co、Ne、Fe等氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整溫度特性——正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。

對于具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，當(dāng)溫度升高時，載流子數(shù)目增加，電阻降低，因而具有負(fù)溫度系數(shù)。圖中是各種熱敏電阻的典型特征示意圖。CTRPTRNTR工作溫度/℃材料用途NTC：低溫用（-130~0）常溫用（-20~300）Mn,Ni,Co,Fe等過濾金屬氧化物冷凍器家用電器工程管理汽車排氣氣體凈化中溫用（250~550）高溫用（500~1000）尖晶石，鈣鈦礦，氧化鋯，SiCPTC:常溫用（1~100）中溫用（100~300）半導(dǎo)性（Ba，Sr）TiO3固溶體半導(dǎo)性（Ba，Pb）TiO3固溶體電子恒溫器吹風(fēng)機CTR:常溫用（0~100）釩氧化物火災(zāi)報警器半導(dǎo)體陶瓷系熱敏電阻器件的工作溫度、材料和用途半導(dǎo)體氣體傳感器SnO2氣敏元件燒結(jié)型厚膜型薄膜型陶瓷濕敏傳感器特點：可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的測量；工作溫度高，可達800℃，響應(yīng)時間短，精度高，抗污染能力強，工藝簡單，成本低廉。濕敏元件種類：MgCr2O4-TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnO2-Li2O5-V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2-MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等，大多數(shù)為電阻型，少數(shù)為電容型。燒結(jié)型占50%以上，厚膜型和薄膜型各占15~20%。濕敏傳感器陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)——感濕體是鉻酸鎂-二氧化鈦（MgCr2O4-TiO2

）多孔陶瓷，平均氣孔直徑在100~300nm范圍內(nèi)，相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管，容易吸附水分。三、功能高分子材料功能高分子材料是具有特殊功能的聚合物，一般指具有傳遞、轉(zhuǎn)換和存儲物質(zhì)、能量和信息作用的高分子及其復(fù)合材料。功能高分子材料最主要的制備方法和工藝過程有三條路線：由功能基單體經(jīng)加聚和縮聚反應(yīng)制備功能高分子；已有高分子材料的功能化和多功能材料的復(fù)合；通過一定的加工手段賦予材料特定的功能。1.導(dǎo)電高分子材料按導(dǎo)電原理分復(fù)合型和結(jié)構(gòu)型兩大類。導(dǎo)電高分子材料具有質(zhì)量輕、易成形、電阻率可調(diào)節(jié)的特點。通過分子設(shè)計可以合成出具有不同特性的導(dǎo)電高分子材料。2.壓電和熱電高分子材料聚偏二氟乙烯（PVDF）有很強的壓電性，同時還有熱電性和鐵電性。PVDF有優(yōu)良的力學(xué)性能。其密度僅為壓電陶瓷的1/4，強性柔順常數(shù)則比陶瓷大30倍。柔軟且有韌性，耐沖擊，可加工成幾微米厚的薄膜，可彎曲成復(fù)雜形狀，利于器件小型化。高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

3.高分子化學(xué)敏感材料4.光敏高分子材料四、功能材料納米結(jié)構(gòu)和納米碳管具有組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的、長度在100nm以下的材料稱納米材料。分為納米超微粒子和納米固體材料。納米超微粒子：顆粒尺寸為1~100nm的超微粒子的材料叫納米超微粒子材料。納米固體材料：由納米超微粒子組成的固體材料。納米材料大致包含納米微粒材料、納米微晶材料、納米顆粒膜、納米顆粒的燒結(jié)體、納米顆粒的致密體5種。納米材料的特性

晶粒極小，比表面積特大高度的彌散性大量的界面典型納米材料

1）碳納材料2）納米陶瓷五、智能材料

新型復(fù)合材料，是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。具有感知內(nèi)外環(huán)境刺激，對之進行分析、處理、判斷、并采取一定的措施進行適度響應(yīng)的智能特征的材料。將高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)合在一起，賦予材料嶄新的性能，兼具傳感、調(diào)節(jié)驅(qū)動、處理執(zhí)行的功能，能隨著環(huán)境的變化而改變性能或形狀，使自身功能處于最佳狀態(tài)。智能材料是傳感技術(shù)與材料科學(xué)、信息處理與控制相融合的產(chǎn)物。1.智能材料的特征⑴傳感功能：能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強度及其變化。

⑵反饋功能：可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。⑶信息識別與積累功能：能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。⑷思考功能和預(yù)見功能：能在過去經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對來自傳感網(wǎng)絡(luò)的各種信息進行分析，并可預(yù)見未來將出現(xiàn)的情況。⑸響應(yīng)功能：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動。

⑹自診斷能力：能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正。⑺自修復(fù)能力：能通過自繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞。⑻自調(diào)節(jié)能力：對不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時地自動調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化做出恰如其分的響應(yīng)。2.智能材料的構(gòu)成⑴基體材料：擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。高分子材料（重量輕、耐腐蝕），金屬材料（輕質(zhì)有色合金為）。⑵敏感材料：擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化。形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。⑶驅(qū)動材料：因為在一定條件下驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。3.智能材料種類

功能：光導(dǎo)纖維、形狀記憶、壓電、電流變體、電（磁）致伸縮材料等。來源：金屬（形狀記憶合金、形狀記憶復(fù)合材料）、無機非金屬（電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料）、高分子（凝膠、膜材、粘合劑）。

六、磁致伸縮材料目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。這種材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。特點：磁致伸縮值大、機械響應(yīng)速度快、功率密度高。七、形狀記憶材料形狀記憶材料：具有形狀記憶效應(yīng)（Shape

Memory

Effect）的材料。形狀記憶效應(yīng)：將材料在一定條件下進行一定限度以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。1.形狀恢復(fù)形式

單程記憶效應(yīng)：加熱時恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時不恢復(fù)低溫相形狀的現(xiàn)象。雙程記憶效應(yīng)：加熱時恢復(fù)高溫相狀態(tài),冷卻時恢復(fù)低溫相形狀。全程記憶效應(yīng)：加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睢?.形狀記憶材料的種類1）形狀記憶合金（SMA）在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀