电子元器件与工艺第四章2009

4. 智能材料与智能系统,其他参考书 1智能材料与智能系统 杨大智主编 天津大学出版社出版 智能材料系统和结构 杜善义，冷劲松和王殿富著 科学出版社出版,4.1 绪 论,一功能材料的分类 I感知材料： 对外界(或内部)的刺激强度(如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等)具有感知功能的材料 II驱动材料： 对外界环境条件(或内部状态)所发生的变化能作出响应或驱动的材料(机敏材料或智能材料),二智能材料的定义 以最佳条件响应外界环境的变化，且按这种变化显示自己功能的材料它们可以感到外界环境的变化，并针对这种变化作出瞬时主动响应，具有自诊断、自适应、自修复和寿命预报以及靠自身驱动完成特定功能(如振动控制)的能力，智能材料和结构密切相关，互为一体，因此确切说法应为智能材料和结构(简称智能材料) 它是材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科学、化学和物理等学科高度发展、相互交叉的产物。,三智能材料系统与结构的组成 母体材料 传感器 中央处理器 驱动器 通信网络,四智能材料系统与结构的基本组元材料 感知材料 信息材料 执行材料 + + + 机敏材料 + + 智能材料,五智能材料的应用 航天航空飞行器 不同材料的连接处存在很大的应力集中，采用智能系统可加以调节并将其分散转移到别处； 座舱壁采用智能系统能减弱振动和噪音，使飞机飞行更平稳； 在关键部件上安装智能部件，起“神经系统”、“肌肉”、“大脑”作用，能感觉即将出现的故障，并作自我修复。,建筑与工程结构 可自行愈合的混凝土： I在混凝土中埋入内装入裂纹修补剂的空心纤维，当混凝土开裂时，空心纤维断裂，释放出粘结修补剂，从而把裂纹牢牢焊接在一起，防止裂纹扩展； II 在混凝土中放入电流变体，当传感器监测到振动时，可将振动信号输送给计算机，计算机根据振动情况对梁施加电压，使液体固化，使梁强韧性增加，当振动减弱后，电压消除，电流变体恢复液态，梁又变得很有柔性,机器人 利用形状记忆合金独特的感知温度并出现位移、将热能转变为机械能的特性，将其安装在机器人的手足和筋骨动作部分，可使机器人依据环境温度执行各种动作任务。 4日常生活 既保温又散热的衣服：活动量小时起保温作用，活动量大时起散热作用； 人造胰腺细胞：根据血糖水平释放胰岛素,4. 智能结构中的传感系统,一传感器概述 何谓传感器及敏感元件？ 一种将各种物理和化学信息按一定的规律转换成电信号的功能器件，具有信息感知、信息变换和信息传输的功能 传感器技术是获取信息的手段，是构成现代信息技术的主要技术，它与信息处理的计算机技术、信息传输的通讯技术是现代信息技术的三大支柱。,2传感器的分类 温度传感器 力学量传感器 气体传感器 光传感器 磁传感器 湿度传感器 电压传感器 生物传感器 离子传感器,3温度传感器 电阻式：陶瓷热敏电阻器(PTC,NTC,CTR) 金属电阻器(正的电阻温度系数) PN结式：温度敏晶体管 集成温度传感器 热电式：热电偶 辐射式：光学测温计 光电测温计,4气体传感器,光传感器 利用光电导效应工作的光传感器： 例如CdS光敏电阻 利用光电效应工作的光传感器： 例如硅光电二极管 利用其他原理工作的光传感器： 例如利用光电发射效应的光电倍增管，利用热释电效应的红外检测光传感器等,力学量传感器 压力电阻式：加速度传感器 荷重传感器 压力电阻传感器(力敏电阻) 压电式：加速度传感器 荷重传感器 扭矩传感器 压力传感器 光电、磁电式传感器：位移传感器 其他：集成压力传感器 电容式压力传感器 Si热线式流量传感器等,7. 磁敏传感器 霍尔元件： 利用半导体在磁场作用下的霍尔效应工作 磁敏元件： 利用半导体中的磁阻效应工作 磁敏晶体管： 利用磁场作用下结区导电性能的变化工作 磁敏集成电路： 把霍尔元件或磁阻元件与单元电路集成于一块芯片上，制成集成电路的磁敏传感器。,8. 湿度传感器 湿敏电阻器 湿敏电容器 湿敏晶体管 9. 电压敏传感器 按结构分： 体型压敏传感器 结型压敏传感器 单颗粒层型压敏电阻器 薄膜型压敏电阻器,10. 生物传感器 利用酶、抗体、微生物等作为敏感元件的探测器，将探测器上所产生的物理量、化学量的变化转变为电信号的一种传感器。 必须具有识别功能的生物敏感膜感受器和换能器两部分。 类型： A. 酶传感器: 基本组成: 固化后的酶膜+气体电极=酶电极 葡萄糖传感器通过测定酶作用后氧含量实现定糖. 反应式: C6H12O6+O2C6H10O6+H2O2 生物催化剂为葡萄糖生物酶,B. 微生物传感器 基本组成: 固化的微生物膜+电化学装置 分为: 好气性微生物和厌气性微生物 C. 免疫传感器 利用抗体对抗原的识别功能和与抗原结合的功能工作的 . 生物电子传感器 基本组成：生物功能膜离子敏场效应管(ISFET) E. 光生物传感器 基本组成：催化发光反应的酶光电二极管或晶体管等半导体器件,二智能结构中的光纤传感系统,1. 智能材料与智能系统中传感系统的选择： A. 满足强度相容要求 埋入后不使原材料强度下降或下降很小 测量动态范围应与基体材料的工作强度和外加载荷相匹配 B. 满足界面相容要求 C. 满足工艺相容要求 埋入不给基体材料的生产带来困难; 传感介质能经受基体材料制作中压力等的考验 D. 满足场分布相容要求 埋入后不影响基体材料内各种物理场(例如应力场、电磁场、振动模式)的分布,E. 满足尺寸相容要求 应有足够小的体积，不影响基体材料组分和物理性能的连续性 2. 光纤传感器的特点： A. 电绝缘 B. 抗电磁干扰 C. 非侵入性(无论对电磁场还是速度场) D. 高灵敏度 E. 容易实现对被测信号的远距离监控,3. 光纤传感器类型 A. 干涉型光纤传感器： 相位调制光纤传感器： 光学现象：磁致伸缩 磁致伸缩 萨格纳克效应 光弹效应等 测量参数：电流、磁场，电场、电压， 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度,萨格纳克效应概述 英文名称： sagnac effect 1911年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应。 萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。 萨格纳克效应已经得到广泛的应用，由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。,这一在惯性空间中,由光敏感转动的效应称为SAGNAC效应.光纤陀螺工作原理框图如图1所示.由光源发出的光,经藕合器传输到Y一波导调制器.Y一波导调制器将其输入光分成顺时针和逆时针传输的两束,进人保偏光纤环圈,以实现SAGNAC效应,这种现象称为Sagnac效应,光纤陀螺仪实质上就是一种Sagnac干涉仪.对于光纤陀螺仪的性能测试主要涉及以下几个技术参数:标度因数K(Scale Factor)陀螺仪输出量与输入角速率的比值,B. 非干涉型光纤传感器 I. 偏振调制光纤传感器 光学现象：法拉第效应(透射光) 泡克尔斯效应(反射光) 双折射效应(科顿-蒙顿效应) 光弹效应 测量参数：电流、磁场 电场、电压 温度 振动、压力、加速度、位移,II. 强度调制光纤传感器 遮光板遮断光路：温度，振动，加速度，位移 半导体透射率：温度 荧光辐射，黑体辐射：温度 光纤微弯损耗：振动，压力，加速度，位移 振动膜或液晶的反射：振动，压力，位移 气体分子吸收：气体浓度 光纤泄漏膜：液位,III. 频率调制光纤传感器 多普勒效应：速度，流速，振动，加速度 受激喇曼散射：气体浓度 光致发光：温度 IV. 颜色调制光纤传感器 热色效应：温度 黑体辐射：温度 吸收光谱：pH值 磷光光谱：温度,4. 智能材料与结构用特种光纤 特殊要求 与复合材料的相容性好 动态测量范围宽 便于扩展探测 便于增加新的检测项目 便于开辟新的功能 系统的可靠性高,B. 细径光纤 光纤对复合材料性能的影响: I当光纤夹在加强纤维的两直排层间并与加强纤维平行，对复合材料沿此方向的拉伸强度的影响可忽略不计 适用于测量温度和应变 II当光纤靠近最大应变表层，并与上、下直排加强纤维正交时，纤径增大会增大纤维周围的树脂富集区，使复合材料强度下降，此时应采用细径光纤 适用于检测断裂临界负载造成的损伤 结论：采用细径光纤对基体的性能影响最小,光纤与加强纤维的各种取向示意图,光纤周围的树脂富集区示意图,特殊涂覆光纤 光纤涂层的作用： 改善光纤与基体材料的耦联性 改善光纤的耐高温性能 使复合光纤具有较高的弹性模量 目前最为理想的实用化光纤涂层： 聚酰亚胺涂层光纤(唯一理想实用的光纤),抗疲劳光纤 影响硅基光纤长期可靠性的两个重要因素： 静态疲劳引起的光纤强度衰减； 原因：使用导致微裂纹末端应力集中 渗氢引起的光纤损耗增加 原因：环境和树脂释放氢气 克服措施： 先沉积一层无定形碳，再沉积有机树脂涂层 ：无论是耦合还是抗疲劳涂层，均可采用金属涂层，但最成熟的还是有机涂层(前者)和碳涂层(后者),涂碳抗疲劳光纤结构示意图：,单模保偏光纤 引子： 随着技术的发展，由振幅调制向相位和偏振调制发展 普通光纤受外界温度、应力、微弯等因素的影响，产生线性双折射和圆双折射，使两个偏振模发生耦合，传输光束的偏振状态在空间和时间上随机变化，妨碍了它在干涉型光纤传感器中的应用。 克服措施： 人为增加光纤内部的双折射，使其远远超过上述各种因素引起的影响，使被激励的一个偏振本征模的功率不会耦合到另一个正交模中，从而保证了入射偏振状态的稳定。 -高双折射光纤,几种保偏光纤的结构： (保偏理论依据：人为引入应力，利用光弹效应产生双折射),F. 双模光纤 引子： 干涉型光纤传感器必须有信号(信号臂)和参考(参考臂)两条通道,以便形成干涉.若两者都埋入复合材料中，则产生同样的相位变化，起不到参考的作用若将参考臂置于复合材料外或加以屏蔽，则不适于实际应用,措施: 用单根光纤中两个不同的传输模分别作为信号通道和参考通道,代替干涉仪中的两根光纤,不但可克服上述的困难,而且能使埋入光纤数减少一半. G. 同心双通道光纤 组成: 中心是弱波导单模纤芯 周围是环状大数值孔径多模纤芯,工作过程及其特点: I当光纤在复合材料中受到扰动时，光从弱波导单模纤芯部分泄漏到多模环形芯中 II在环形波导中，光的传播速度与在单模芯中不同，因此在光纤检测端能先后收到两个信号，一个来自中芯，一个来自环形芯 III信号到达时间差确定了扰动位置，环形多模芯中的强度确定了扰动的大小,智能材料和智能结构中的四种光纤传感器(一) A. 马赫泽德(Mach-Znhnder)光纤传感器 结构示意图：,特点： I干涉光强度与相位差有关 在/2处灵敏度最高 II. 在参考臂中设置相位调制器，将信号光与参考光的相位差总保持在/2处(零差检测) III相位调制器由PZT环及绕在其上的部分参考光纤组成工作时，驱动电压使PZT环膨胀，导致参考光纤内相位变化，从而保持信号光与参考光之间/2的偏置 IV. 仅适用于实验室,麦克尔逊(Michelson)光纤传感器 结构示意图:,特点: 信号臂与参考臂同时埋入复合材料中，且靠得非常近 信号臂比参考臂长的一段是干涉仪的探测区域，待测场使该区域信号光纤产生相对相位差，并经耦合器输出检测 克服了参考光纤不在材料内部的缺点，省去了一个耦合器 探测区域小，提高了测量的空间分辩率 具有双光纤共同的缺点：共模抑制能力较弱不适宜用于低频应变测量 由于具有高的灵敏度，常用来测量材料中低能量的高频信号，如复合材料层间开裂时的声发射。,法里布珀罗(Fabry-Perot)光纤传感器 结构示意图,本征型光纤F-R传感器的结构与制作： 方法一： 先在光纤两端面溅射一薄层TiO2或蒸发一层金属膜，控制其厚度以获得适当的反射率，然后再熔接在一起 优点： 制作工艺简单 缺点： 熔接端面镀有金属或介质膜，使光纤强度下降,方法二： 在纤芯周围约15m直径范围内镀反射膜，从而使光纤包层断面完全熔接 优点： 一般单模光纤的纤芯面积只占光纤截面的1%以下，因而可以保证熔接强度 缺点： 在如此小的面积上镀膜有一定的困难 克服方法：采用Bragg光栅,光纤布拉格光栅传感器 前述三种干涉型光纤传感器的共同特点: 由待测量引起光相位调制,通过干涉强度进行检测其缺点是检测的干涉光强是相位差的周期多值函数，而且线性灵敏区域有限 工作原理： 待测量对探测光束的波长进行调制，通过波长位移进行检测,结构与特点： 在光纤的一小段范围内沿轴向设法使折射率发生周期性变化而形成芯内体光栅,光波传输特点： 光波从光纤一端射入，由于折射率的周期性变化，使纤芯中向前和向后传输的光波耦合当满足Bragg条件时，波长为b光功率耦合到向后传输的光波中，在反射谱中b处形成强度峰值，在透射谱中b处形成强度谷值,优点： 检测量是波长的变化，不受光强的影响，对环境干扰不敏感； 输出线性范围宽，在10000范围内波长移动与应变有良好的线性关系； 测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题； 光栅长度只有几毫米，测量的空间分辩率高； 单根光纤单端检测，可尽量减少埋入光纤的根数和探测元件的数量； 易于实现波分复用，可实现参数的分布测量； 光栅制作过程无机械损伤，使用可靠,光致折射率变化机理: I.在掺锗二氧化硅中,锗进入氧空位形成Ge-Si键，由于Ge的原子半径与Si不同，所形成的晶格常数与配位数也不一样，使二氧化硅网格排列扭曲并形成缺陷中心 II. 在488nm激光照射下，由于双光子吸收使Ge-Si键断裂，释放出电子，改变了晶场能量，使折射率发生了变化,纤芯内光栅制作方法： I驻波法 (示意图)：,原理： 将波长为488或514nm的氩离子激光从光纤一端注入，入射光在反射面返回，在光纤内形成驻波。驻波波腹处光功率加强，从而产生折射率调制。 不足之处： 光栅周期不能任意变动，是入射波长的1/2 折射率调制度低(510-5量级) 曝光时间较长，一般需要几分钟,II.全息曝光法(示意图),写入过程： 紫外激光束被分束器分成夹角为2的两个光束，经柱面透镜聚焦，将两光束干涉条纹投射到光纤上，干涉条纹方向与光纤轴向垂直其中相长干涉部分光强达到极大值，使纤芯折射率受到调制 调制机理： 掺锗光纤在244nm波长处有一强的吸收带，吸收的紫外光直接破坏了Ge-Si键 特点： 灵敏度高，曝光时间短，折射率变化大， 曝光与拉丝同时进行,. 智能材料与智能结构中的光纤传感器(二) (另一角度，略) (一) 偏置光纤传感器 A. 原理： 当外界因素变化时，光纤的偏振态发生变化，通过检测各种物理参量，如应变、温度、振动等的变化。 B. 特点： 具有良好的动态特性,C. 埋偏振光纤传感器智能复合材料系统,D. 光纤的拚接方式,(二) 模耦合光纤传感器 A. 原理: 利用一根光纤中传播的两个线偏振模之间的耦合来反应被测量. B. 特点: 结构简单,可以实现全光纤传感安装 可以省略很多干涉型传感器所必需的参考臂光纤 省略偏振传感器离不开的偏光器件等块光学器件 可以同时测量应变和温度 测量精度低于其他干涉型传感器,高于偏振传感器,C. 两模光纤传感器的结构示意图,(三) 法布里-珀罗光纤传感器 A. 依据于法布里-珀罗干涉现象，即光束在两个具有高反射率的平面反射镜之间多次反射形成的干涉现象当外界信号发生变化时，反射腔长度发生变化，导致干涉信号发生变化 特点： 较高的灵敏度和测量精度，是未来智能系统中传感器发展的重要方向,结构类型： 内置式法布里-珀罗干涉光纤传感器,外置式法布里-珀罗干涉光纤传感器,(四) 光纤布拉格光栅传感器 特点： I由多个分散的光纤传感器组成在一起，实现对整体结构的定点分布测量若用于结构的健康监测，必须事先确定危险地点，以确定传感器的位置 II精度非常高，具有很好的动态响应特性，是智能结构系统中最具应用前景的光纤传感器之一 III成本较高，同时需要复杂的解调系统,结构： 光纤内刻制多个折射率成周期性变化的传感区域，入射光在每个传感区域内反射，反射信号的波长随折射率变化的周期和折射率的大小而变化当外界条件变化时，折射率变化的周期和大小将发生变化，从而通过反射波的波长变化反映出来,(五) 分布式光纤传感器 . 原理： 测量外界环境变化所产生的光纤上不同位置的散射，从而确定导致散射的不同测量参量如温度、压力、应变、损伤等 . 成本较高,4. 智能结构中的执行材料,一. 压电陶瓷 最大应变量：20000 弹性模量：62GPa 合成应变：350 响应频率：120000Hz 可埋入性：好 稳定性：好 使用形式：薄片 技术成熟性：好,二 .压电薄膜 最大应变量：700 弹性模量：2GPa 合成应变：10 响应频率：0.120000Hz 可埋入性：好 稳定性：好 使用形式：薄膜 技术成熟性：较好,三 .电致伸缩材料 最大应变量：1000 弹性模量：117GPa 合成应变：500 响应频率：120000Hz 可埋入性：好 稳定性：好 使用形式：薄带、线 技术成熟性：好,四 .磁致伸缩材料 最大应变量：2000 弹性模量：48GPa 合成应变：580 响应频率：120000Hz 可埋入性：好 稳定性：好 使用形式：薄膜 技术成熟性：较好,五. 形状记忆合金 何谓形状记忆效应？何谓形状记忆合金？ 在低温下使合金变形，然后将合金加热到一定温度，合金将回复到高温下的形状，这种现象称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。 . 形状记忆合金、磁性形状记忆合金和磁致伸缩材料的区别：磁致伸缩材料的应变量小，但响应频率高，形状记忆合金的应变量大，但响应频率低，磁性形状记忆合金同时兼具有较大的应变量和较高的响应频率，是智能结构系统中最有发展前景的。,. 形状记忆效应的分类 A. 单程形状记忆效应 加热时回复到高温形状，冷却时不再变化 .双程形状记忆效应 加热时回复至高温形状，冷却时回复到低温形状。 .全程形状记忆效应 加热时回复至高温形状，冷却时回复到低温形状，继续冷却时变成曲率与高温形状相反的形状。,4各种形状记忆效应示意图(一) 单程形状记忆效应： T1 T2 T1: T2: T1: T2:,4各种形状记忆效应示意图(二) 双程形状记忆效应： T1 T2 T1: T2: T1: T2:,4各种形状记忆效应示意图(三) 全程形状记忆效应： T1 T2 T3 T1: T2: T1: T2: T3,六电(磁)流变体材料 何谓电(磁)流变体？ 属于一种悬浮体系，在外电场或磁场作用下，其黏性、塑性和弹性等流变性能会发生显著的可逆变化当外加场强超过一临界值时，电(磁)流变体会在几个毫秒内从液态变为固态，撤消外加场后又恢复流体特性称这类材料为电(磁)流变体,组成 连续相： 要求： 高沸点，低凝固点，在整个工作温度范围内最好不要挥发； 较低的黏度，可使电流变体的零场黏度低； 高的电阻，高的介电击穿场强，使流体能承受很高的电压而不放电； 密度要求较高，以避免两相分离沉淀； 具有较高的化学稳定性和疏水性；无毒，价廉,材料： 硅油，矿物油和其他种类的合成油， 卤代芳烃 分散相： 要求： 形状近似球状，颗粒尺寸为0.1100m； 其介电常数要大于连续相的介电常数； 电导率为10-710-11S/m； 密度不能过大，以便于与连续相匹配，从而保证悬浮体系的稳定，且密度分布要相对集中,材料: 目前研究出的电流变体配方有几百种之多,它们之间的区别在于选择不同的分散相.主要有如下两类: I无机类(分子筛)： 宏观结构特点： 内有许多孔径均匀的通道和排列整齐的孔穴，其比表面积很大，对极性分子特别是水有极强的吸附力，而结构中的金属离子，又可以在网络中自由移动，这些都为其具有电流变效应尊定了基础,例子：13X 型： Na56(AlO2)56(SiO2)106264H2O 4A型： Na12(AlO2)12(SiO2)12 27H2O II有机类： 结构特点： 大分子聚合物，为三维网络状结构 例子：酚醛树脂的锂盐,添加剂 目的：保持悬浮体系的稳定性 类型： I. 表面活性剂： 降低连续相的表面张力； 分子的一端为非极性亲油的碳氢链部分，另一端为极性亲水的基团，形成不对称结构分散相颗粒对其具有极强的吸附力,II嵌段(或接枝)共聚物： 一个嵌段形成铰链群，与分散体系不溶，但能与粒面吸引，另一个嵌段溶于分散介质产生一个立式稳定的阻挡层 固化机理,电流变体(ERF)与磁流变体(MRF)的比较,4. 形状记忆材料在智能结构中的应用,一在汽车制造中的应用 形状记忆合金智能外壳： 碰撞变形后可通过加热方式使外壳复原 形状记忆合金智能轮胎： 将合金丝夹制在汽车轮胎中，当紧急刹车时，因轮胎与地面产生大量热，使记忆合金丝动作，促进刹车,二在记录笔驱动装置中的应用 装置内安装一根保持在拉应力下的NiTi记忆合金丝输入信号改变电流，加热NiTi丝，当其受热改变长度时即可控制杆的移动这种设计减少了许多运动部件，且极为可靠 三在航天航空方面的应用 制作人造卫星中的折叠式展开天线,折叠式天线工作过程示意图,一驱动器应用 阻尼降噪应用 利用高损耗因子，高刚度和高的温度稳定性 分主动和被动控制两种模式，而主动控制又分为两种类型： 传感器与驱动器之间的耦合可忽略不计； 传感器与驱动器之间的耦合不可忽略 驱动系统示意图：,4. 压电铁电材料在智能结构中的应用,无耦合：,有耦合,减少应力集中，改善疲劳寿命 利用驱动器抵抗来自附近的应变，可把疲劳寿命提高一个量级. 3减轻颤振 颤振影响飞行器的性能，甚至引起疲劳破坏采用主动控制的压电陶瓷驱动器，可有效地减轻颤振，而只需很低的驱动电压(2.410V),二传感器应用 1压力传感器 压电陶瓷传感器 压电聚合物PVDF(压电性比石英晶体高35倍) 2复合材料或结构的状态监控 采用“示踪标记”传感技术，即将压电陶瓷粉或电致伸缩粉均匀地混在聚合物中； 采用压电陶瓷与聚合物0-3复合材料，即将压电陶瓷粉与聚合物均匀混合后做成压电膏或涂层并涂于复杂形状的结构上； 压电陶瓷作声发射敏感元件，监测裂纹形成过程中的能量释放信息,三自适应结构 压电纤维复合材料(结构示意图)：,2压电陶瓷与机构组合实现自适应 应用于以下三个方面： 飞机结构完整性和使用状态的实时监测系统； 主动(或自适应结构)降低或消除噪音，抑制或阻尼发动机的振动，解决飞机颤振和除冰，改变飞机机翼形状和刚度使之处于最佳的空气动力学状态； 结构航空电子一体化，例如智能蒙皮天线,4. 电(磁)流变体在智能结构中的应用,一电流变减振器 1滑动平板型减振器：依靠两滑动板间流体的电流变效应的