敏感材料与传感器作业1-2答案

1、敏感材料与传感器作业（1、2次合并）1. 解释：传感器、传感器技术、敏感材料、磁阻效应、双金属敏感元件、LB膜、SA膜、形变规、约瑟夫逊(Josephson)效应、色谱法、形状记忆现象、陶瓷材料、压电效应、热释电效应、空穴、有效质量、压阻效应（1） 传感器：传感器是能够感受被测量并按照一定的规律将其转换成为可用信号（如电信号、光信号）的器件或装置，它通常有敏感元件、转换元件及相应的机械结构和电子线路所构成。（2） 传感器技术：传感器技术是一个汇聚物理、化学、材料、器件、机械、电子、生物工程等多类型的交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。（3） 敏感材料：敏感材料

2、是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。（4） 磁阻效应：物质在磁场中电阻发生变化的现效应象。（5） 双金属敏感元件：是将热膨胀系数不同的两种金属片贴合而成的敏感元件。（6） LB膜：将含有亲水基和疏水基的两性分子正在水面上形成的一个分子层厚度的膜（即单分子膜），以一定的方式累计到基板上的技术。（7） SA膜：分子自组装膜是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。（8） 形变规：形变规是利用物质因受力而使其电阻发生变化的敏感元件。（9） 约瑟夫逊效应：在两个导体间插入纳米量级的绝缘体，超导电流会从一块

3、超导体无阻通过绝缘体到另外一块超导体。此超导体/绝缘体/超导体结被称为约瑟夫逊结。（10） 色谱法： 使混合物中各组分在两相间进行分配,其中一相是不动的(固定相),另一相(流动相)携带混合物流过此固定相,与固定相发生作用,在同一推动力下,不同组分在固定相中滞留的时间不同,依次从固定相中流出,又称色层法,层析法。（11） 形状记忆现象：具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后（另一形状），通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始的形状。（12） 陶瓷材料：从广义上讲陶瓷包含一切天然及合成的无机非金属固体材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石材、陶

4、瓷等。从狭义上讲是用天然或合成的粉体，经成形和高温烧结制成的，由金属和非金属的无机化合物构成的多晶固体材料。（13） 压电效应：某些物质在特定方向施加应力发生形变就会产生电荷，反之，施加电压则会产生机械形变，这种效应称为压电效应。（14） 热释电效应：对于具有自发极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化而导致自发式极化强度变化，从而在晶体某一方向产生表面极化电荷的现象。（15） 空穴： 当外界条件发生变化，例如温度升高、或有光照时，满带中的电子就有部分被激发到上面的空带中，使上面能带底部有少量电子，这部分电子位于未满的能带中，因而在外电场的作用下，这些电子将参与导电；同时，下面原来填满的

5、能带由于其中有部分电子被激发到上面，也将出现空电子态，因而其中的电子在外电场的作用下，也将参与导电。满带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看成带正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子态为空穴。（16） 有效质量：并不代表正真的质量，而是代表能带中电子或空穴受到外力时，外力与加速度的系数，它概括了半导体内部势场的作用。（17） 压阻效应：半导体的压力敏感元件是基于在应力的作用下半导体晶体的能带结构发生变化，从而改变载流子迁移率和载流子密度，最终改变的电阻率的现象。2. 传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？传感器的发展方向表现在哪几个方面？传感器技术发展动向：（1） 新效应，新材料、

6、新功能的开发应用。（2） 微机械加工工艺的发展。（3） 传感器的多功能化发展。（4） 研究生物感官，开发仿生传感器。传感器发展的方向：传感器的多功能化、集成化和微型化，传感器的数字化、自能化和网络化。3. 信息技术的三大支柱技术是哪些？分别具有什么作用？传感器技术、通信技术和计算机技术。传感器技术作用采集信息，通信技术的作用是传输信息，计算机技术是处理信息。4. 传感器研究的基本思路是怎样的？（1） 敏感材料机理研究（2） 传感功能设计加工（3） 敏感材料选择设计及合成（4） 传感器制备工艺研究（5） 传感器性能测试（6） 变送技术研究5. 传感器的基本构成型式有哪几种？试画图并简要说明各自的

7、特点。（1）自源型输入敏感元件输出（a）不需要外能源；(b)其传感元件具有从被测对象直接吸取能量,并转换成电量电效应；(c)输出能量较大。（2）带激励源式输入敏感元件输出辅助能源特点：需要变换(测量)电路才有适当信号输出。（3）外源式输入敏感元件输出转换电路电源 特点：它必须通过带外电源的变换电路，才能获得电量输出。（4）相同传感器的补偿型输入敏感元件转换电路输出电源环境量特点：使用两个原理和特性一样的敏感元件，其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过电路，利用后者消除前者的环境干扰影响。（5）差动结构补偿型特点：采用了两个原理和特性完全相同的转换元件，同时接收被测输入量，并

8、置于同一环境中，巧妙的是，两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，通过变换（测量）电路使有用输出量增加，干扰量相消。 （6）不同传感器的补偿型特点：其中一个接受信号，并已知其受环境影响的特性，另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号。6. 磁阻效应有哪两类？它们有什么区别？ 可分为基于霍尔效应的普通磁阻效应和强磁性体中各向异性磁阻。区别：基于霍尔效应的磁阻效应使沿外加电场方向运动的载流子数量减小，电阻增大，表现出横向磁阻效应；而各向异性磁阻效应则是外加磁场偏离内磁场方向时，电阻减小，若外加磁场方向平行于内磁体磁化方向时，电阻几乎不随外磁场变化。

9、7. 常见的金属热敏电阻有哪些？铂，铜，铁，镍。8. 磁致伸缩产生的原因有哪些？（1） 磁偶极矩变化而产生晶格离子位置的偏移。（2） 磁弹性结合能变化引起晶格离子位置的偏移。（3） 自旋引起的传导电子云分布的变化。9. 约束超导现象的三大临界条件是哪三个？ 临界温度，临界磁场，临界电流。10. 简述化学敏感元件的基本工作机制。主要是利用化学反应进行化学物质的识别并获取有关的信息量。主要工作机制有物理吸附、化学吸附、化学反应、气体成分分子深入到固体中、气体成分分子透过固体。11. 简述氧化物半导体在气敏元件中的应用。氧化物半导体气敏元件与气体接触时，引起半导体性质的改变，从而可检测特定气体的成分

10、和浓度。分为电阻式和非电阻式，电阻式是利用其阻值的改变检测气体浓度，例如氧化锡、氧化锌、氧化镁、氧化钛等对可燃性气体、酒精的测量。非电阻式是根据气体的吸附和反应，利用半导体材料的功函数对气体进行直接或间接的检测，例如氧化银对硫醇的检测，硫化镉、氧化钛对氢气、一氧化碳的检测。12. 描述陶瓷材料中热敏电阻的分类，并给出每种类型热敏电阻的代表性材料。可分为NTC热敏电阻、PTC热敏电阻、CTR热敏电阻。（1） NTC热敏电阻是电阻随温度的升高而减小的元件，代表性材料是Fe、Ni、Co、Mn等过度金属氧化物，多数情况下是有尖晶石岩、岩盐型、黑锰矿石等晶型的化合物或其混合物组成的。（2） PTC热敏电

11、阻是电阻随着温度的升高而显著额增加。典型的代表材料是钛酸钡（BaTiO3）系列的半导体。（3） CTR是骤变热敏电阻，代表材料是VO2系材料。13. 请画出压电陶瓷的制备工艺流程图。配料原料评价混合煅烧成形烧成磨光、抛光上电极极化研磨14. 试比较物理吸附与化学吸附的差异。物理吸附化学吸附选择性没有有吸附力范德华力化合建可逆性容易脱附不易脱附吸附层一层以上一层以下活化能几乎没有850kJ·mol-1吸附热820 kJ·mol-140800 kJ·mol-1吸附速率快慢15. 试简述金属氧化物陶瓷材料敏感机理？并以此说明n或p型金属氧化物材料中吸附氧化性气体和还原性

12、气体后，其导电率分别发生怎样的变化？ 金属氧化物的敏感机理在不同敏感元件中的机理不同。(1) 温敏元件主要是利用其载流子温度随温度变化。(2) 气敏元件利用氧化物半导体的气体吸附引起的电荷移动；氧化物半导体的化学量的变化；接触可燃性气体燃烧的反应热。(3) 湿敏元件主要利用氧化物陶瓷半导体的性质以及吸湿所引起的电容率变化。N型材料吸附氧化性气体，其导电率减小，吸附还原性气体导电率增大；p型材料吸附氧化性气体导电率增大，而吸附还原性气体，导电率减小。16. 陶瓷材料有哪四种极化机制？（1）电子极化；（2）离子极化；（3）定向极化；（4）空间电荷极化。17. 压电陶瓷与压电晶体的压电机理有何区别？

13、压电陶瓷需要经过极化之后才具有压电效应，而压电晶体本身就具有压电效应。18. 基于热释电效应的红外敏感材料应该满足什么要求？（1） 热释电系数较高。（2） 充分吸收入射的红外线。（3） 与表面电荷变化相应的电容小，可产生较大的电压。19. 在32种晶体点群中，有多少种具有压电效应，又有多少种具有热释电效应？20种晶系具有压电效应，10种晶系具有热释电效应。20. 简述铁电体与压电体和热释电体关系。 压电体热释电体铁电体21. 试例举3-4个半导体的重要特性。半导体主要有热敏特性，光敏特性和掺杂特性，即：（1） 温敏效应：温度升高使半导体的导电率增强，电阻率下降。（2） 光敏效应：适当波长的光照

14、可以改变半导体的导电能力。（3） 掺杂效应：在纯净的半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。（4） 半导体材料构成的PN结，具有单向导电性。（5） 霍尔效应：半导体的电阻随着电场、磁场的作用而发生改变。22. 简述半导体电学性质与温度的依赖关系。（1） 半导体中的电子迁移率的温度依赖性（硅）在高温侧迁移率下降是由于晶格振动产生的散射引起的，低温侧迁移率下降是杂质散射引起的。对于施主浓度高的样品迁移率整体变小，且很快移向低温区。（2）n型半导体的传导电子密度的温度依赖关系高温侧，载流子密度以exp(Eg/2kT)的斜率成指数地剧增，而在低温侧，由施主杂质提供的传导电子随温度的增加而增加；中温区，不变。（3）费米能级的温度依赖关系在低温下费米能级靠近施主能级，但在高温下移到带隙中央附近，且传导电子和价带空穴几乎以等密度激发。23. 高分子材料的基本性质有哪些？（1） 高聚物分子量大。（2） 高聚物分子量具有多分散性。（3） 高聚物分子的空间结构排列复杂。（4） 一般高分子材料都有比重小，强度大，电绝缘性好，耐化学腐蚀等特点。24. 与无机敏感材料相比，有机敏感材料有哪些优点？（1） 容易加工、容易做成均匀大面积材料；（2） 设计、合成新结构分子的自由度大，从而带来了敏