第四讲传感器功能材料

传感器技术是利用各种功能材料来实现检测目的的一门应用技术。各种功能材料是传感器技术发展的物质基础，新传感器的研发离不开新材料的应用。所谓功能材料是指那些具有特定的光学、电学、声学、磁学、力学、化学、生物学功能及相互转化功能，并应用于现代高新技术中的材料。它们优良的物理、化学、生物学性能可以用来制造传导信息、存储或记录、转化或交换能量的功能元器件。按其性能称为磁性材料、电阻材料、光学材料；或按其材质称为特殊合金、精密合金、特种陶瓷、功能高分子材料等。功能材料分类如下图。第四讲传感器功能材料⑴感知功能：能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度。⑵响应功能：能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并且反应灵敏、及时和恰当。⑶信息识别与积累功能：能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。⑷恢复功能：当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。⑸智能功能：部分材料还具有自诊断、自修复、自调节等智能功能。敏感材料的功能⑴敏感性好：包括灵敏系数高、响应速度快、适用范围宽、检测精度高、动态特性好、输出特性易于调整和补偿、选择性好等。⑵可靠性好：包括耐热、耐磨损、耐腐蚀、耐振动、耐过载等。⑶加工性好：包括易成型、批量生产实现集成化、尺寸稳定、互换性好等。⑷经济性好：包括成本低、成品率高、性能/价格比高等。敏感材料的特征一、半导体材料1.半导体材料的特性室温下半导体电导率为10-9~10-3S/m。半导体电导率的基本公式为2.半导体材料的分类（1）元素半导体材料主要应用是硅，90%以上的半导体器件和电路用硅制作，此外还有硒、锗。本征半导体N型半导体P型半导体（2）化合物半导体材料3.半导体硅材料优点：优异的机械特性，便于批量生产微结构和微机电元件；与集成电路工艺兼容；微机械和为电子线路便于集成。（1）单晶硅为各向异性材料，有良好的机械性能和导热性能。例如，单晶硅的密度为不锈钢的1/3.5，而弯曲强度是不锈钢的3.5倍，可见其强度-密度比和刚度-密度比均较高。单晶硅的热导率为不锈钢的5倍，而热膨胀系数只有不锈钢的1/7，与低膨胀材料连接时，可避免热应力产生。90%以上大规模、超大规模、甚大规模集成电路都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。在一块硅片上制作集成电路、微传感器、微结构等构成MEMS系统，可实现传感器技术的微型化、集成化、智能化、批量化.多晶硅是由硅的微晶粒组成的，这些晶粒的尺寸在0.1到十几微米之间，无序排列，不同晶粒有不同的单晶取向，晶粒之间的部位叫晶界。晶界对多晶硅电特性的影响可以通过掺杂原子浓度调节。多晶硅具有同单晶硅类似的机械性能，只不过没有晶面，在受到相对比较低的应力时就会发生破裂。多晶硅的制作一般利用低压化学气相沉积（LPCVD）将硅材料沉积在基片表面获得，也可以用增压化学沉积（PECVD）法生长多晶硅。多晶硅电阻率高于单晶硅，并随掺杂原子浓度变化较大多晶硅电阻温度系数随掺杂浓度在很大范围变化，适合制作热敏电阻。（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电子材料，其介电常数低，电阻率非常高，且容易成形、粘附力强。氧化硅通过热氧化或沉积（常压化学气相沉积AVCD、低压化学气相沉积LCVD、等离子增压化学气相沉积PECVD）法生成。

微传感器之材料技术氧化硅可用作多层金属之间的绝缘层、腐蚀掩膜、离子注入和扩散掩膜等。（3）硅化合物氮化硅的电阻率非常高，介电常数低，是一种优良的电子材料。比起硅材料本身，氮化硅可耐受多种化学腐蚀。氮化硅比氧化硅绝缘性能更好，常用于在器件之间以及器件与衬底材料之间提供绝缘。碳化硅是一种性能优良的制模材料，硬度高，特别在高温下耐化学腐蚀性能好，可用于制作高温压力传感器的压敏膜片。（4）锗，砷化镓锗是一种单晶材料，电子迁移率约为硅的2.5倍，霍尔系数为硅的2倍，适合制作霍尔器件。单晶硅和锗可以通过掺杂工艺制成光敏电阻，但硅灵敏度更大，工作波长约为0.8微米，锗约为1.4微米。砷化镓是一种半导体化合物，是霍尔元件的理想材料，其缺点是屈服强度低，仅为硅的1/3，因此不适合作基底材料。利用的物理现象相应的元器件所用的材料压阻效应应变片Si、Ge、GaP、InSbPN结的变化感压二极管、三极管Si、Ge电阻变化热敏电阻、测辐射器Si、Ge、金属氧化物等P、N间的感压电势，半导体与金属间的电势热电偶Si、GaAs、、、光电效应摄像管、光电池CdS、PbS、、、光电势效应光二极管、CCD磁阻效应磁阻器件InSb、Si、GeI层中的电势效应PIN光电二极管霍尔效应霍尔元件、霍尔IC、、Si、Ge、InSb、、、利用半导体材料制作的各种传感器二、功能陶瓷材料指利用材料的电、磁、声、光、热等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的多晶无机固体材料。功能陶瓷一般通过高温烧结制成，其一般工艺流程为：

原料粉体→预处理→成形→烧结→加工→制品与传感器有关的常用功能陶瓷类别：压电陶瓷：超声波发生器、换能器半导体陶瓷：热敏、压敏、光敏、气敏、湿敏器件热释电陶瓷超声波压电陶瓷片的形式超声波接触式直探头

常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm

外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。

保护膜接插件各种超声波接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz热敏电阻

热敏电阻是由两种以上的金属氧化物如Mn、Co、Ne、Fe等氧化物构成的烧结体，根据组成的不同，可以调整温度特性——正温度系数热敏电阻(PTC)、负温度系数热敏电阻(NTC)和临界温度系数热敏电阻(CTR)。

对于具有负温度系数的热敏电阻，当温度升高时，载流子数目增加，电阻降低，因而具有负温度系数。图中是各种热敏电阻的典型特征示意图。CTRPTRNTR工作温度/℃材料用途NTC：低温用（-130~0）常温用（-20~300）Mn,Ni,Co,Fe等过滤金属氧化物冷冻器家用电器工程管理汽车排气气体净化中温用（250~550）高温用（500~1000）尖晶石，钙钛矿，氧化锆，SiCPTC:常温用（1~100）中温用（100~300）半导性（Ba，Sr）TiO3固溶体半导性（Ba，Pb）TiO3固溶体电子恒温器吹风机CTR:常温用（0~100）钒氧化物火灾报警器半导体陶瓷系热敏电阻器件的工作温度、材料和用途半导体气体传感器SnO2气敏元件烧结型厚膜型薄膜型陶瓷湿敏传感器特点：可实现全湿范围内的测量；工作温度高，可达800℃，响应时间短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。湿敏元件种类：MgCr2O4-TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnO2-Li2O5-V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2-MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等，大多数为电阻型，少数为电容型。烧结型占50%以上，厚膜型和薄膜型各占15~20%。湿敏传感器陶瓷湿敏元件结构——感湿体是铬酸镁-二氧化钛（MgCr2O4-TiO2

）多孔陶瓷，平均气孔直径在100~300nm范围内，相当于一种开口毛细管，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，一般指具有传递、转换和存储物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料。功能高分子材料最主要的制备方法和工艺过程有三条路线：由功能基单体经加聚和缩聚反应制备功能高分子；已有高分子材料的功能化和多功能材料的复合；通过一定的加工手段赋予材料特定的功能。1.导电高分子材料按导电原理分复合型和结构型两大类。导电高分子材料具有质量轻、易成形、电阻率可调节的特点。通过分子设计可以合成出具有不同特性的导电高分子材料。2.压电和热电高分子材料聚偏二氟乙烯（PVDF）有很强的压电性，同时还有热电性和铁电性。PVDF有优良的力学性能。其密度仅为压电陶瓷的1/4，强性柔顺常数则比陶瓷大30倍。柔软且有韧性，耐冲击，可加工成几微米厚的薄膜，可弯曲成复杂形状，利于器件小型化。高分子压电薄膜及拉制高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

3.高分子化学敏感材料4.光敏高分子材料四、功能材料纳米结构和纳米碳管具有组成相或晶粒结构的、长度在100nm以下的材料称纳米材料。分为纳米超微粒子和纳米固体材料。纳米超微粒子：颗粒尺寸为1~100nm的超微粒子的材料叫纳米超微粒子材料。纳米固体材料：由纳米超微粒子组成的固体材料。纳米材料大致包含纳米微粒材料、纳米微晶材料、纳米颗粒膜、纳米颗粒的烧结体、纳米颗粒的致密体5种。纳米材料的特性

晶粒极小，比表面积特大高度的弥散性大量的界面典型纳米材料

1）碳纳材料2）纳米陶瓷五、智能材料

新型复合材料，是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。具有感知内外环境刺激，对之进行分析、处理、判断、并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。将高技术传感器或敏感元件与传统的结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，兼具传感、调节驱动、处理执行的功能，能随着环境的变化而改变性能或形状，使自身功能处于最佳状态。智能材料是传感技术与材料科学、信息处理与控制相融合的产物。1.智能材料的特征⑴传感功能：能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

⑵反馈功能：可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。⑶信息识别与积累功能：能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。⑷思考功能和预见功能：能在过去经验的基础上，对来自传感网络的各种信息进行分析，并可预见未来将出现的情况。⑸响应功能：能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。

⑹自诊断能力：能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。⑺自修复能力：能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。⑻自调节能力：对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。2.智能材料的构成⑴基体材料：担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。高分子材料（重量轻、耐腐蚀），金属材料（轻质有色合金为）。⑵敏感材料：担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化。形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。⑶驱动材料：因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。3.智能材料种类

功能：光导纤维、形状记忆、压电、电流变体、电（磁）致伸缩材料等。来源：金属（形状记忆合金、形状记忆复合材料）、无机非金属（电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料）、高分子（凝胶、膜材、粘合剂）。

六、磁致伸缩材料目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。特点：磁致伸缩值大、机械响应速度快、功率密度高。七、形状记忆材料形状记忆材料：具有形状记忆效应（Shape

Memory

Effect）的材料。形状记忆效应：将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。1.形状恢复形式

单程记忆效应：加热时恢复高温相形状,冷却时不恢复低温相形状的现象。双程记忆效应：加热时恢复高温相状态,冷却时恢复低温相形状。全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状。2.形状记忆材料的种类1）形状记忆合金（SMA）在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状