传感器功能材料.ppt

1、传感器技术是利用各种功能材料达到检测目的的应用技术。各种功能材料是传感器技术发展的物质基础，新型传感器的研发离不开新材料的应用。所谓功能材料，是指应用于现代高科技的具有特定的光、电、声、磁、机械、化学和生物功能以及相互转化功能的材料。它们优异的物理、化学和生物特性可用于制造传递信息、存储或记录、转换或交换能量的功能部件。根据其性质，它被称为磁性材料、电阻材料和光学材料。或按其材料称为特种合金、精密合金、特种陶瓷、功能高分子材料等。功能材料的分类如下。第四讲是传感器功能材料，传感功能：它可以检测和识别外部(或内部)刺激强度。响应功能：能够根据外部环境和内部条件的变化做出及时、动态的响应，响应灵敏

2、、及时、恰当。信息识别和积累功能：它可以识别传感器网络获取的各种信息并进行积累。恢复功能：当外界刺激消除后，它能迅速恢复到原来的状态。智能功能：有些材料还具有智能功能，如自诊断、自修复和自调整。敏感材料的功能具有良好的灵敏度，包括灵敏度系数高、响应速度快、适用范围广、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。良好的可靠性：包括耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、抗振动性、抗过载性等。加工性能好：易于成型，集成批量生产，尺寸稳定，互换性好等。良好的经济性：包括低成本、高产量和高性能价格比。1.半导体材料的特性1。半导体材料的特性半导体在室温下的电导率为10-910-3s/m。半导体电导率

3、的基本公式为：2。半导体材料的分类(1)元素半导体材料的主要应用是硅，除了硒和锗之外，90%以上的半导体器件和电路是由硅制成的。本征半导体氮型半导体磷型半导体，(2)化合物半导体材料，3。半导体硅的优点：优异的机械特性，便于大规模生产微结构和微机电元件；与集成电路技术兼容；微机械和电子电路有利于集成。(1)单晶硅是一种各向异性材料，具有良好的力学性能和导热性能。例如，单晶硅的密度是不锈钢的1/3.5，而弯曲强度是不锈钢的3.5倍，这表明其强度密度比和刚度密度比都较高。单晶硅的导热系数是不锈钢的5倍，而热膨胀系数只有不锈钢的1/7。当与低膨胀材料连接时，可以避免热应力。90%以上的大规模、超大规

4、模和超大规模集成电路是在高纯度和高质量的硅抛光晶片和外延晶片上制造的。由集成电路、微传感器和微结构组成的微机电系统可以实现传感器技术的小型化、集成化、智能化和批量化。多晶硅由尺寸在0.1到10微米之间的硅微颗粒组成，这些微颗粒无序排列。不同的晶粒有不同的单晶取向，晶粒间的位置称为晶界。晶界对多晶硅电性能的影响可以通过掺杂原子浓度来调节。多晶硅具有与单晶硅相似的机械性能，除了它没有晶面，当受到相对较低的应力时，它会断裂。通常，多晶硅是通过低压化学气相沉积(LPCVD)在衬底表面上沉积硅材料来生产的，并且多晶硅也可以通过加压化学气相沉积(PECVD)来生长。多晶硅的电阻率高于单晶硅的电阻率，并且随

5、do变化很大微传感器的材料技术，氧化硅可用作绝缘层、刻蚀掩膜、离子注入和多层金属间的扩散掩膜等。(3)硅化合物，氮化硅是一种优良的电子材料，具有很高的电阻率和低的介电常数。与硅材料本身相比，氮化硅可以抵抗多种化学腐蚀。氮化硅比氧化硅具有更好的绝缘性能，并且经常用于提供器件之间以及器件和衬底材料之间的绝缘。碳化硅是一种性能优良、硬度高、耐化学腐蚀性好的成型材料，尤其在高温下，可用于制作高温压力传感器的压敏膜片。锗、砷化镓和锗是单晶材料，电子迁移率约为硅的2.5倍，霍尔系数约为硅的2倍，适合制作霍尔元件。单晶硅和锗可以通过掺杂工艺制成光敏电阻，但硅更敏感，工作波长约为0.8微米，锗约为1.4微米。

6、砷化镓是一种半导体化合物，是霍尔器件的理想材料。它的缺点是屈服强度低，只有硅的1/3，所以不适合做基材。2.功能陶瓷材料是指利用材料的电、磁、声、光、热的直接或耦合作用来实现一定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，其一般工艺流程如下：(1)原料粉末的预处理，形成烧结制品；与传感器相关的常用功能陶瓷：压电陶瓷：超声波发生器、换能器半导体陶瓷：用于热敏、压敏、光敏、气敏和湿敏器件的热电陶瓷；超声波压电陶瓷：超声波接触式直探头；公共频率范围：0.510兆赫；普通晶片直径：530毫米。保护膜，连接器，各种超声波接触倾斜探头，常用频率范围：15兆赫。热敏电阻是由锰、钴、氖、铁等两种

7、以上金属氧化物组成的烧结体。正温度系数、负温度系数和正温度系数的温度特性可以根据不同的成分进行调节。对于负温度系数的热敏电阻，当温度升高时，载流子数量增加，电阻降低，因此它们具有负温度系数。该图是各种热敏电阻典型特性的示意图。半导体陶瓷热敏电阻器件、半导体气体传感器、二氧化锡气体传感器、烧结、厚膜、薄膜、陶瓷湿度传感器的工作温度、材料和应用的特点是：可以实现全湿度范围的测量；工作温度高达800，响应时间短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低。湿度传感器类型：MgCr2O 4-二氧化钛系统、二氧化钛-V2O5系统、ZnO2-Li2O5-V2O5系统、ZnCr2O4系统、ZrO2-MgO系统、

8、Fe3O4系统、Ta2O5系统等。大多数是电阻性的，而少数是电容性的。烧结型占50%以上，厚膜型和薄膜型各占1520%。湿度传感器，陶瓷湿度传感器结构湿度传感器是铬酸镁-二氧化钛(MgCr2O 4-二氧化钛)多孔陶瓷，平均孔径在100300纳米范围内，相当于一个开放的毛细管，可以很容易地吸收水分。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、转换和储存物质、能量和信息功能的聚合物及其复合材料。功能高分子材料主要有三种制备方法和工艺流程：(1)功能高分子是通过功能单体的加聚和缩聚反应制备的；现有聚合物材料的功能化和多功能材料的复合；材料通过一定的加工手段被赋予特定的功能。根据导电原理，导

9、电高分子材料可分为两类：复合型和结构型。导电高分子材料具有重量轻、易成型、电阻率可调的特点。通过分子设计可以合成不同特性的导电高分子材料。聚偏氟乙烯是一种压电和热释电聚合物材料，具有很强的压电性以及热电和铁电性。柔软、坚韧、耐冲击，可加工成几微米厚的薄膜，弯曲成复杂的形状，有利于器件的小型化。由聚合物压电材料、聚合物化学敏感材料、光敏聚合物材料、功能材料纳米结构和碳纳米管制成的聚合物压电薄膜和拉丝、压电薄膜和电缆，以及组成相或颗粒结构且长度小于100纳米的材料称为纳米材料。它分为纳米超细颗粒和纳米固体材料。纳米颗粒：粒径为1100纳米的超细颗粒材料被称为纳米超细颗粒材料。纳米固体材料：由纳米超

10、细颗粒组成的固体材料。纳米材料包括五种：纳米粒子材料、纳米晶材料、纳米粒子薄膜、烧结纳米粒子和致密纳米粒子。纳米材料具有纳米材料、晶粒细小、比表面积大、分散性高、界面多等特点，是典型的纳米材料，(1)碳纳米材料，(2)纳米陶瓷，(5)智能材料和新型复合材料，是继天然材料、人工材料和精细材料之后的第四代功能材料。具有感知内部和外部环境刺激、分析、处理和判断这些刺激并采取一定措施做出适当反应的智能特性的材料。高科技传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料的结合赋予了材料全新的性能，具有传感、调节和驱动、加工和执行的功能，并能随着环境的变化而改变其性能或形状，使其自身功能处于最佳状态。智能材料是传感

11、技术、材料科学、信息处理和控制融合的产物。1.智能材料的特性和传感功能：它能感知载荷、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学和核辐射的强度和变化。反馈功能：通过传感器网络，可以比较系统的输入输出信息，并将结果提供给控制系统。信息识别和积累功能：它可以识别传感器网络获取的各种信息并进行积累。思维功能和预见功能：基于过去的经验，我们可以分析来自传感器网络的各种信息，并预见未来的情况。响应功能：能够及时动态地响应外部环境和内部条件的变化，并采取必要的措施。自诊断能力：通过分析和比较系统的现状和过去的情况，能够对系统故障、误判等问题进行自诊断和纠正。自我修复能力：通过自我繁殖、自我生长和原位重组等再生

12、机制，修复局部损伤或破坏。自我调节能力：它能根据不断变化的外部环境和条件及时自动调整自身的结构和功能，并相应地改变自身的状态和行为，使物质系统始终以优化的方式对外部变化做出适当的反应。2.智能材料的组成基体材料：它起承载作用，一般宜选用轻质材料。聚合物材料(重量轻，耐腐蚀)，金属材料(轻有色金属合金)。敏感材料：它们负责感知，它们的主要功能是感知环境变化。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、电流变液、磁流变液和液晶材料。驱动材料：因为驱动材料在一定条件下会产生很大的应变和应力，所以它负责响应和控制。常用的有效驱动材料有形状记忆材料、压电材料、电流变材料和磁致伸缩材料。

13、智能材料的类型和功能：光纤、形状记忆、压电、电流变、电致伸缩材料等。来源：金属(形状记忆合金、形状记忆复合材料)、无机非金属(电流变液、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料)和聚合物(凝胶、薄膜、粘合剂)。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，而稀土超磁致伸缩材料是最近发展起来的一种新型功能材料。这种特点：磁致伸缩值大，机械响应速度快，功率密度高。形状记忆材料：具有形状记忆效应的材料。形状记忆效应：材料在一定条件下变形到一定限度后，再对材料施加适当的外部条件，材料的变形消失，恢复到变形前的形状。形状恢复形式的单向记忆效应：高温相的形状在加热时恢复，而在冷却时不恢复的现象。双向记忆效应：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：高温相加热时形状恢复，冷却时形状相同、方向相反的低温相形状。形状记忆材料的类型1)形状记忆合金在高温下被加工成一定的形状，其被快速冷却，在低温下塑性变形为另一种形状，然后被加热到高温相变得稳定的温度，然后在低温下恢复到塑性变形之前的形状。具有这种效应的金属通常是由两种以