第二章 传感器的功能材料及加工工艺

1、LOGO第第2 2章章 传感器的功能材料及传感器的功能材料及加工工艺加工工艺v传感器的基础是构成传感器的材料其本身的各种基础功能效应，以及这些效应的传输和功能形态的变换v加工工艺是传感器从实验室走向实用的关键。现代加工制造技术中的各种工艺手段在传感器领域都有所体现。v多个零部件组装而成的结构型传感器，如应变电阻式传感器、涡街流量传感器、电涡流传感器等，其敏感原理早已为大家所熟知，而加工工艺则各有千秋。传感器的性能，尤其是温度稳定性、可靠性等指标，也因此而有很大差异2.12.2第第2章章 传感器的功能材料及加工工艺传感器的功能材料及加工工艺传感器使用的材料传感器使用的材料传感器的加工工艺传感器的

2、加工工艺v传感器材料：v敏感材料v辅助材料2.1传感器使用的材料传感器使用的材料表表 2 1各类材料在传感器中的应用情况各类材料在传感器中的应用情况v导体、半导体和电介质导体导体v有两类导体，即电导体（金属及其合金）和离子导体或电解液（酸、碱和盐溶液）v金属及其合金被用于传感器时可利用其热电特性，或者其电导率对温度和应力的依赖性。v金属还可用来构成能使被测对象产生显著变化的电路元件，如电涡流传感器中的线圈、电容式传感器的极板、电化学传感器中的电极等。v离子导体或电解液主要用于化学量传感器，尤其是基于电化学原理的传感器。v尤其是基于电化学原理的传感器。虽然电化学传感器方面的理论已经相当成熟，但具

3、体实现技术方面仍然存在许多需要研究的问题。电化学传感器的技术成熟度几乎是目前所知的化学量传感器中最高的。据统计，商业化的气体传感器中，90%以上属于电化学类传感器。2.1.2导体、半导体和电介质导体、半导体和电介质v 半导体敏感材料半导体敏感材料具有半导体性质的元素或化合物之所以被广泛用于敏感材料，是由于测量对象导致半导体的性质发生较大的变化。由于半导体材料对很多信息量既具有敏感特性，又有成熟的平面工艺，易于实现多功能化、集成化和智能化，同时也是很好的基底材料，所以是理想的传感器材料。半导体材料目前已经广泛用在传感器中，在今后相当长的时间内也将会占主导地位。电介质电介质v电介质材料具有共价键，

4、是良好的电绝缘体。电介质材料的特性常用介电常数来表征。介电常数是电通量密度与电场强度之比，即 。真空的介电常数为 ，电介质材料的介电常数则为 。陶瓷、有机聚合物和石英也是传感器中经常使用的电介质2.1.3陶瓷敏感材料陶瓷敏感材料v 2.1.3.1物理敏感陶瓷材料物理敏感陶瓷材料v陶瓷热敏器件陶瓷热敏器件v陶瓷光敏电阻陶瓷光敏电阻v陶瓷压电元件陶瓷压电元件v陶瓷热释电材料陶瓷热释电材料 2.1.3陶瓷敏感材料陶瓷敏感材料v 2.1.3.2化学敏感陶瓷材料化学敏感陶瓷材料v湿敏陶瓷湿敏陶瓷v气敏陶瓷气敏陶瓷 v 2.1.3.3其他陶瓷材料其他陶瓷材料有机高分子敏感材料有机高分子敏感材料v有机敏感材

5、料具有的优点是：v容易加工，容易做成均匀大面积材料；v设计、合成新结构分子的自由度大，从而带来了敏感材料的多样性；v可实现在无机敏感材料中难以达到的识别功能。2.1.3有机高分子敏感材料有机高分子敏感材料v 2.1.4.1有机敏感材料的种类和特性有机敏感材料的种类和特性有机敏感材料有机敏感材料2.1.4.1有机敏感材料的种类和特性利用有机材料的敏感元件利用有机材料的敏感元件2.1.4 有机高分子敏感材料有机高分子敏感材料v 有机高分子湿敏材料有机高分子湿敏材料v 有机高分子气敏材料有机高分子气敏材料v 有机高分子压电材料有机高分子压电材料2.1.5 磁性材料磁性材料真空中的磁通量与外加磁场强度

6、成正比：其中，M是每单位体积的磁偶极矩或磁化强度， 为相对磁导率。 HB0 HMHBr00)( rv磁性材料可以被用做将磁通量限定在确定的体积范围内的结构元器件。v此外，在传感器中，可用于检测一些磁参量，此时被检测的磁参量能改变另一些物理特性，如磁敏电阻的电导率；还可用于检测能改变磁特性的一些物理量，如温度和机械应力等。2.2 传感器的加工工艺传感器的加工工艺v 2.2.1结构型传感器的加工工艺结构型传感器的加工工艺应用不同的加工方法所能得到的加工精度应用不同的加工方法所能得到的加工精度2.2.1结构型传感器的加工工艺悬臂梁式称重传感器悬臂梁式称重传感器2.2.1结构型传感器的加工工艺1弹性体

7、的加工和处理弹性体的加工和处理2应变计的粘贴与固化应变计的粘贴与固化3组桥、布线卫性能检查组桥、布线卫性能检查4传感器的性能补偿与老化传感器的性能补偿与老化5防潮密封工艺防潮密封工艺6性能检测和标定工艺性能检测和标定工艺2.2.1结构型传感器的加工工艺电阻应变式传感器的防护密封结构示意图电阻应变式传感器的防护密封结构示意图2.2.2微机械加工工艺微机械加工工艺v 2.2.2.1微传感器与微机电系统微传感器与微机电系统MEMS所涉及到的技术领域所涉及到的技术领域2.2.2.1微传感器与微机电系统MEMS的应用的应用微机械加工工艺微机械加工工艺v 传统超精密与特种加工技术传统超精密与特种加工技术v

8、 超精密机械加工超精密机械加工v 微钻孔加工微钻孔加工v 微铣削加工微铣削加工v 微细磨削（超精密磨削）微细磨削（超精密磨削）v 微细电火花加工微细电火花加工传统超精密与特种加工技术线电极电火花磨削法原理示意 采用线电极电火花磨削加工的微结构 2.2.2微机械加工工艺微机械加工工艺v 高能束微机械加工技术高能束微机械加工技术v 激光束加工激光束加工v 电子束加工电子束加工电子束加工电子束加工激光束加工示意激光束加工示意热型电子束加工示意热型电子束加工示意2.2.2微机械加工工艺微机械加工工艺非热型电子束加工示意非热型电子束加工示意v离子束加工v离子束加工的基本原理是将聚焦后的离子束用电场加速，

9、使其达到高能量状态去撞击工件，使材料表面的原子获得动能，从工件本体上分离，实现加工目的。离子束加工主要应用于微机械加工、溅射加工和注入加工。离子束加工适用于各种金属材料的切割、焊接、热处理，还可进行工件表表面强化、等离子弧堆焊及喷涂。2.2.2微机械加工工艺微机械加工工艺v 2.2.2.4微机电系统常用的集成电路工艺微机电系统常用的集成电路工艺v薄膜成形薄膜成形1. 氧化氧化湿氧氧化法示意湿氧氧化法示意2.2.2.4微机电系统常用的集成电路工艺v 金属化金属化真空蒸镀法示意真空蒸镀法示意 溅射法示意溅射法示意 2.2.2.4微机电系统常用的集成电路工艺v 化学气相淀积化学气相淀积常压化学气相工艺装常压化学气相工艺装置的示意置的示意等离子化学气等离子化学气相工艺装置的示意相工艺装置的示意2.2.2.4微机电系统常用的集成电路工艺v 外延外延v 旋涂法旋涂法v厚膜工艺厚膜工艺厚膜压力传感器工艺流程示意图厚膜压力传感器工艺流程示意图 2.2.2.4微机电系统常用的集成电路工艺v掺杂技术掺杂技术v 扩散杂质扩散杂质v 离子注入离子注入图图 2 26 离子注入机示意图离子注入机示意图2.2.2.4微机电系统常用的集成电路工艺