新型敏感材料課件

新型敏感材料主要內(nèi)容傳感器概述新型敏感材料智能材料1.1傳感器的定義傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：傳感器是能感受規(guī)定的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。敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換電路指傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適合于傳輸和測量的電信號部分。轉(zhuǎn)換電路輸出敏感元件電源輸入敏感材料是指對電、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。信息技術(shù)的三大支柱傳感器技術(shù)采集信息通信技術(shù)

計算機技術(shù)傳輸信息處理信息作用作用作用1.2傳感器的地位1.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域資源探測海洋開發(fā)環(huán)境監(jiān)測安全保衛(wèi)醫(yī)療診斷家用電器工業(yè)自動化農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化軍事工程航空航天機器人技術(shù)1.4傳統(tǒng)傳感器的不足靈敏度低，測量精度低測量范圍小機械滯后溫漂使用壽命成本2新型敏感材料2.1半導(dǎo)體敏感材料

2.2電子陶瓷2.3形狀記憶材料2.1半導(dǎo)體敏感材料2.1.1單晶硅的物理特性半導(dǎo)體的電子學(xué)特性半導(dǎo)體電導(dǎo)率基本公式：

為電導(dǎo)率，n為傳導(dǎo)電子濃度，μn為傳導(dǎo)電子遷移率，p為空穴濃度，μp為空穴遷移率。上式表明傳導(dǎo)電子的濃度和遷移率之積與空穴的濃度和遷移率之積決定了半導(dǎo)體電導(dǎo)率的大小，而影響載流子濃度和遷移率的主要因素是摻雜和溫度。半導(dǎo)體材料利用壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)等都能達(dá)到改變半導(dǎo)體電導(dǎo)率的效果，所以很適合作為新型敏感材料來制作各種傳感器。

單晶硅的機械性能硅具有良好的機械性能與導(dǎo)熱性能單晶硅作為微系統(tǒng)中最能被廣泛使用的基底材料，它的優(yōu)點：優(yōu)良而穩(wěn)定的力學(xué)性能熔點約為鋁的2倍，熔點高可以在高溫環(huán)境下保持尺寸穩(wěn)定熱膨脹系數(shù)低，可以有效地減小溫度誤差單晶硅純度極高內(nèi)耗小2.1.2多晶硅及硅化合物多晶硅是單晶的聚合物，因其單晶取向不同，期排列時無序的。多晶硅一般采用低壓化學(xué)氣相沉積法（LPCVD）如圖所示，多晶硅的電阻溫度系數(shù)較單晶硅低，并在很大范圍內(nèi)變化。電阻溫度系數(shù)與摻雜原子濃度的關(guān)系硅的化合物二氧化硅、碳化硅等石英晶體（各向異性）是理想的壓電材料，可用于制作高精度傳感器。用碳化硅薄膜制作壓敏元件，制成的高溫壓力傳感器可以在600°C以上的環(huán)境溫度中工作，可用于測定航空航天飛行器發(fā)動機的耐熱腔體及表面部件的壓力。鍺由于Ge的禁帶較窄，器件穩(wěn)定工作溫度遠(yuǎn)不如硅器件高，加之資源有限，目前，Ge電子器件不到總量的10%，主要轉(zhuǎn)向紅外光學(xué)等方面。硅材料的優(yōu)點資源豐富、易于提高到極純的純度較易生長出大直徑無位錯單晶易于對進行可控n型和p型摻雜易于通過沉積工藝制備出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料易于進行腐蝕加工硅有相當(dāng)好的力學(xué)性能硅表面上很容易制備高質(zhì)量的介電層－SiO2硅本身是一種穩(wěn)定的綠色材料2.2電子陶瓷利用電子陶瓷的物理效應(yīng)可以實現(xiàn)機械能、電能、光能與電能之間的能量轉(zhuǎn)換。電子陶瓷包括壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、磁性陶瓷、壓敏陶瓷、光敏陶瓷等。電子陶瓷有對壓力、溫度、光強變化和磁性敏感的性能，而且具有耐磨蝕、硬度高、易成型、高溫下性能穩(wěn)定和蘊含資源豐富的特點。2.2.1電子陶瓷生產(chǎn)工藝電子陶瓷塊體材料的常規(guī)制作工藝主要包括備料、成型、燒結(jié)工藝。根據(jù)實際應(yīng)用需求，還可以采用熱壓燒結(jié)工藝或填充燒結(jié)工藝制備無氣孔的透明陶瓷或氣孔率很高的多孔陶瓷。新近發(fā)展起來的電子陶瓷薄膜材料的制備工藝主要有射頻磁控濺射、溶膠-凝膠法，脈沖激光沉積、金屬氧化物氣相沉積等工藝。2.2.2壓電陶瓷大多數(shù)壓電陶瓷是以BaTi03為代表的ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，是多晶體材料。燒結(jié)成型的壓電陶瓷并不具備壓電性，必須經(jīng)過人工極化處理后，才具備壓電性，成為壓電敏感材料。極化過程正壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)：對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等。2.2.3半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷是指具有半導(dǎo)體電子特性的陶瓷材料。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性受溫度、電場、光照和濕度等外界條件影響會發(fā)生變化，利用這種變化可以制作各類敏感元件，所以半導(dǎo)體陶瓷又稱作敏感陶瓷。半導(dǎo)體陶瓷主要包括熱敏陶瓷、壓敏陶瓷、氣敏陶瓷和光敏陶瓷等。熱敏陶瓷（熱敏電阻為主）正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（NTR）熱敏器件的工作溫度、材料和用途工作溫度材料用途NTC低溫用（-130-0°C）常溫用（-20-300°C）中溫用（250-550°C）高溫用（500-1000°C）低溫常溫用Mn、Ni、Co、Fe等過濾金屬氧化物中溫高溫用尖晶石、鈣鈦礦、氧化鋯、SiC冷凍器家用電器PTC常溫用（0-100°C）中溫用（100-300°C）常溫用半導(dǎo)性（Ba，Sr）TiO3固溶液中溫用半導(dǎo)性（Ba，Pb）TiO3固溶液電子恒溫器吹風(fēng)機CTR常溫用（0-100°C）釩氧化物火災(zāi)報警器2.2.4磁性陶瓷

具有磁性的鐵氧化物成為鐵氧體，鐵氧體是一種非金屬磁性材料，又稱磁性陶瓷。從化學(xué)組成上看，鐵氧體主要是由鐵族離子、陽離子即其他金屬離子組成的復(fù)合金屬氧化物，也有少量不含鐵的磁性氧化物。當(dāng)鐵磁質(zhì)達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場H，介質(zhì)的磁化強度M（或磁感應(yīng)強度B）并不沿著起始磁化曲線減小，M（或B）的變化滯后于H的變化。這種現(xiàn)象叫磁滯。在磁場中，鐵磁體的磁感應(yīng)強度與磁場強度的關(guān)系可用曲線來表示，當(dāng)磁化磁場作周期的變化時，鐵磁體中的磁感應(yīng)強度與磁場強度的關(guān)系是一條閉合線，這條閉合線叫做磁滯回線。

鐵磁體磁化到技術(shù)飽和以后，使它的磁化強度降低到零所需要的反向磁場稱為矯頑力。

磁滯回線B剩磁Hc矯頑力在較弱的磁場下易于磁化，也易于退磁的材料稱為軟磁材料。磁導(dǎo)率大，矯頑力小(Hc≤100A/m)，滯損耗低，磁滯回線呈細(xì)長條形。

軟磁材料磁滯回線①軟磁材料主要軟磁材料材料

Mn-Zn、Li-Zn鐵氧體、Ni-Zn、NiCuZn鐵氧體、MnFe2O4、

NiFe2O4軟磁材料應(yīng)用

軟磁材料適用于交變磁場，可用來制造各種發(fā)電機和電動機的定子和轉(zhuǎn)子；變壓器，電感器，電抗器，繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計算機磁芯；磁記錄的磁頭與介質(zhì)；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯。

磁化后不易退磁，而能長期保留磁性的鐵氧體材料稱為硬磁材料，因而也稱永磁材料或恒磁材料。磁滯回線包圍面積大，(Hc≥400A/m)矯頑力大。硬磁材料磁滯回線②硬磁材料永磁材料的應(yīng)用

主要是利用磁體在氣隙產(chǎn)生足夠強的磁場，利用磁極與磁極的相互作用，磁場對帶電物體或粒子或載電流導(dǎo)體的相互作用來做功，或?qū)崿F(xiàn)能量，信息的轉(zhuǎn)換。矩磁材料磁滯回線③矩磁材料磁滯回線近似矩形的磁性材料，結(jié)晶各向異性，應(yīng)力各向異性。

常用的矩磁材料

在常溫使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65℃~+125℃較寬范圍使用的矩磁鐵氧體有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。矩磁材料的應(yīng)用矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強度Br接近于飽和值Bm，矯頑力不大。若矩磁材料在不同方向磁場下磁化，當(dāng)電流為零時，總是處于+Bm和-Bm

兩種不同的剩磁狀態(tài)。由于計算機采用兩進制，即只有“0”和“1”兩個數(shù)碼，所以采用這種材料的兩種剩磁狀態(tài)+Bm和-Bm就可以分別代表兩個數(shù)碼，起到記憶作用。因此矩磁材料適于做信息存儲元件的磁性開關(guān)。④壓磁材料在磁化時,長度會發(fā)生伸長或縮短變化的材料稱為壓磁材料。這種材料具有電磁能與機械能或聲能的相互轉(zhuǎn)換功能，是重要的磁功能材料之一。傳統(tǒng)磁致伸縮材料、Fe，Co，Ni基合金及鐵氧體、稀土磁致伸縮材料REFe2壓磁材料的應(yīng)用制作超聲發(fā)聲器、接受器、超聲探傷器、超聲鉆頭、超聲焊接器、濾波器、穩(wěn)頻器、諧波發(fā)聲器、振蕩器、微波檢波器以及聲納、回聲探測儀等。

⑤旋磁材料能使作用于它的電磁波發(fā)生一定角度偏轉(zhuǎn)的材料稱為旋磁材料。

旋磁材料基本上是鐵氧體磁性材料，一般叫微波鐵氧體材料。旋磁材料

Mg-Mn，Mg-Mn-Al，Mg-Al，Mg-Al，Mg-Cr，Ni-Mg，Ni-Zn，Ni-Al，Ni-Cr鐵氧體，Li-Al，Li-Mg鐵氧體等。

旋磁材料的應(yīng)用用于與輸送微波的波導(dǎo)管或傳輸線等組成的各種微波器件，主要用于雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航、遙測、遙控等電子設(shè)備中。2.3形狀記憶材料形狀記憶材料：具有形狀記憶效應(yīng)的材料。形狀記憶效應(yīng)是指將材料在一定條件下進行一定限度以內(nèi)的變形后，在對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而恢復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。它通常是由兩種以上的金屬元素構(gòu)成，所以也叫形狀記憶合金。形狀記憶合金熱滯現(xiàn)象形狀記憶效應(yīng)（按形狀恢復(fù)形式）單程記憶雙程記憶全程記憶單程記憶低溫下塑性變形加熱時恢復(fù)高溫時形狀再冷卻時不恢復(fù)低溫形狀雙程記憶加熱時恢復(fù)高溫形狀冷卻時恢復(fù)低溫形狀全程記憶冷卻時恢復(fù)低溫形狀更低溫度與高溫形狀完全相反加熱時恢復(fù)高溫形狀應(yīng)用領(lǐng)域電子儀器儀表航空航天機械工業(yè)醫(yī)療器件交通運輸能源開發(fā)航空航天NiTI形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖宇航天線可由NiTi合金絲制成。將TiNi合金天線冷至低溫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；將TiNi合金板或棒變形加工成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條，收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)；衛(wèi)星進入軌道后，團狀天線彈出，在太陽照射下，溫度升高到As以上，團狀天線自動張開，恢復(fù)到原來形狀；溫度升高到Af溫度以上時，完全恢復(fù)到原來的形狀，天線向宇宙空間撐開。美國宇航局根據(jù)達(dá)一想法研制了安放在月球表面上的拋物面天線組件。智能機器人形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控制器等應(yīng)用在智能機器人中。形狀記憶驅(qū)動器通過適當(dāng)加熱和控制，可完成往返或旋轉(zhuǎn)運動，兼之具有感溫功能。形狀記憶控制機構(gòu)同傳統(tǒng)伺服控制機構(gòu)相比，一個形狀記憶元件就可起到傳統(tǒng)機構(gòu)中傳感、驅(qū)動和傳遞三系統(tǒng)功能的作用。智能控制器電子儀器儀表用形狀記憶合金制造的溫度保險器不同于熔斷保險絲，可產(chǎn)生很強的力拉斷接點，消弧效應(yīng)明顯，適合于作大功率、高電壓用保險器。形狀記憶合金溫度保險器醫(yī)療應(yīng)用治療粉碎性髕骨骨折比較困難，我國設(shè)計了一種用于治療髕骨骨折的形狀記憶NiTi聚髕器，現(xiàn)已成功用于臨床治療之中。聚髕器由功能爪和連接腰組成，能從多個方向產(chǎn)生恢復(fù)力并作用于髕骨，持續(xù)地以縱向聚合加壓，將粉碎的髕骨聚合于解剖位置直至骨折愈合。聚髕器材料的發(fā)展和應(yīng)用歷史：3智能材料

材料科學(xué)的發(fā)展演化過程3.1智能材料的定義智能材料是一種能以自身的表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化的信息，并進行判斷、處理和做出反應(yīng)，以改變自身的結(jié)構(gòu)與功能并使之很好地與外界相協(xié)調(diào)的具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。換句話說，智能材料是在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制和驅(qū)動三種職能集于一身，通過自身對信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理，發(fā)出指令，并執(zhí)行和完成相應(yīng)的動作，從而賦予材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)健康自診斷、工況自檢測、過程自控制、偏差自校正、損傷自修復(fù)以及環(huán)境自適應(yīng)等智能功能和生物特征，以達(dá)到增強結(jié)構(gòu)安全、減輕構(gòu)件重量、降低能量消耗和提高整體性能之目的的一種材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)。3.2智能材料的特征智能材料具有或者部分具有下列智能功能：傳感功能：能感知自身所處的環(huán)境與條件，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。反饋功能：可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)輸入與信號輸出進行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。信息識別與積累功