多媒体教案-电子信息材料-08-敏感材料-2009-spr

1、电子信息材料 -08敏感材料 第八章敏感材料 目录 8.1 力敏材料 8.2 热敏材料 8.3 压敏材料 8.4 磁敏材料 8.5 湿敏和气敏材料敏感材料的分类 力敏材料 热敏材料 电压敏感材料 磁敏材料 离子敏感材料 湿敏材料 气敏材料 光敏材料 声敏材料对传感器用敏感材料的基本要求 1/ 对于某种特定变量（物理、化学、生物等变量）具有较高的敏感性，能够迅速将微小的变化准确地、可重复地变换为相应的电信号输出。 2/ 在一定条件下，除了对所指定的一种变量敏感外，对其余变量都不敏感，能在环境中存在多种变量的复杂情况下，准确摄取所指定的变量信息，也就是具有良好的选择性且响应速度要快。 3/ 应该具

2、有良好的环境适应性。 检测某种对象应该明白用那种相应的物理效应。检测对象检测对象所利用的物理效应所利用的物理效应应力压电效应，PN结对压力的响应温度R-T关系，热电效应光光电导、光伏效应、光电子发射磁霍尔效应、磁阻效应8.1 力敏材料 力敏材料用于力学量传感器，主要用于测量力、加速度、扭矩、压力、流量等物理量。这些量的测量都与机械应力有关。 力学量传感器的种类繁多，有电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。不同类型的力学量传感器所涉及的原理、材料、特性及工艺也各不相同。8.1.1 金属应变片材料金属应变片材料 以金属合金材料为主，结构简单，性能可靠，使用方便，易于实现测试过

3、程自动化。 原理：金属材料的电阻值随其形变将发生改变，称为电阻应变效应。金属材料的电阻值相对变化量（R/R）在一定范围内与材料的灵敏度系数K成正比，K标志着材料的力电转换能力。 （R/R），为材料的轴向应变量 丝状金属未受外力作用时，（） 受到拉伸作用后，电阻值变化量为R，长度变化量为，截面积变化量为，电阻率变化量为。 将（）式微分，近似得到电阻值的相对变化率： R/R / 上式当中， /为材料的轴向应变，而我们令，为材料的泊松比 考虑到的定义式， （R/R），代入得到：（） 材料的灵敏度系数受两个因素的影响：材料的灵敏度系数受两个因素的影响： 1/ 材料的应变； 2/ 材料的电阻率的变化。

4、对于金属或合金材料而言，哪一项是主要的，对于力敏半导体而言哪一项为主？ 金属合金应变计大都采用箔式应变片，箔材以Cr-Ni合金和Cu-Ni合金为主，厚度为5-20m之间，应变电阻的阻值为120-600欧姆。8.1.2 半导体力敏材料半导体力敏材料 主要是单晶硅。 原理：当外力作用在单晶硅上后，其电阻率将发生显著的变化，称为压阻效应。半导体力敏材料的力-电转换指标是压阻系数G。 单晶硅的灵敏度系数K与压阻系数G和弹性模量E之间有以下关系： K=1+2+GE 对于金属材料，GE项很小，泊松比的数值为0.25-0.50，故灵敏度系数K=1.5-2.0。 对于半导体材料，GE项比（1+2）大得多，G=

5、（40-80）10-11m2/N，E=1.6710-11Pa 灵敏度系数：K=50-100。8.1.3 薄膜力敏材料薄膜力敏材料 用真空溅射、蒸发、离子镀等制薄膜等技术将材料直接沉积在衬底上，无需贴片工艺，减少了应变计的零漂、蠕变和机械滞后，增加了可靠性。 应该满足的条件：1/ 电阻率要高。2/ 电阻温度系数要小。3/ 材料与电极的接触电势要小。4/ 应变材料在测量范围内不发生相变。 电阻率随着温度改变而发生变化的材料称为热敏电阻材料。这种材料被广泛用于制造各种热敏电阻器。8.2 热敏传感器 大家注意，我们现在讨论的是某物理量随着温度而发生显著变化的情况，不再是上一节课中随应力而发生变化的情况

6、。元件名称应用的物理原理典型材料热电偶塞贝克效应PtRh/Pt，NiCr/NiAl电阻温度计电阻率随温度变化 Pt、Cu、Mn和康铜等NTC热敏电阻电阻率随温度减小 Mn、Ni、Co、Cu、Cr的混合氧化物PTC热敏电阻电阻率随温度增大 半导体CTR （临界温度电阻器）临界温度特性VO2系列 实用热敏传感器元件名称应用的物理原理典型材料晶体管传感器 PN结的温度特性Si磁热敏传感器 Tc附近M-T特性热敏铁氧体电容型Tc附近-T特性陶瓷（BaSr）TiO3压电型电阻率随温度增大 水晶红外线型光电效应PbS、Ge、MCT光纤型双折射变化等石英玻璃NQR型核四极矩共振吸收 KClO3新型热敏传感器

7、1热电温度计(热电偶) 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。BAABNNekTTEln)(ABTT0k玻耳兹曼常数，e电子电荷量，T接触处的温度NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(002 热敏电阻传感器 NTC型：半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。)11(00TTeRRRT NTC半导磁一般为尖晶石结构，AB2O4。 当B位置的阳离子为可以变价的阳离子时，也就是二价和三价的

8、离子均占据B位时，才能形成半导体。由于B位离子间距小，电子云重叠几率大些，可以实现电子交换。而正尖晶石结构的晶体一般为大带隙的绝缘体。 一定要注意我们所要面对的温区：中、高温还是低温。对于NTC材料越低温越灵敏还是越高温越灵敏？ 临界温度电阻（CTR）热敏材料 CTR材料是指具有突变电阻温度特性曲线的材料，主要有Ag2S-CuS系和V系。一般来说，这类材料在相当窄的温度区间内其电阻值有3-5个数量级的突变。其临界温度与组成密切相关。PTC材料： PTC材料是随温度上升而阻值增大的材料，最普遍的PTC热敏电阻之一通常是在BaTiO3陶瓷中掺入稀土元素使之半导化而得到。 BaTiO3半导体陶瓷热敏

9、电阻的工作机理：材料的势垒高度与相对介电常数有关，在Tc以下，很高，势垒很低。在Tc以上， -T关系服从居里外斯关系，并且大大降低，势垒升高。这个势垒是指晶粒边界上的肖特基势垒。BaTiO3半导体陶瓷室温电阻率高，应用受限，近年来开发了V2O3系材料。3 3双金属片温度计双金属片温度计 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。8.3 电压敏材料利用材料的非线性伏安特性。电压敏传感器应用电阻值随电压而变化的元件。电压敏感陶瓷的性质 电压敏感陶瓷是指具有非线性伏安性，对电压变化敏感的半导体陶瓷，它在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎没有

10、电流通过，但是当外加电压超过这个临界电压时，电阻将急剧变小，并且有电流通过。随着电压的少量增加，电流增加会很快。 应用领域：特殊的保安作用，大量应用于电气设备的过流（过压）保护电路以及避雷器等。 电压敏感电阻的I-V特性服从下式：V=CI或者 I=KV、为电压和电流的非线性系数，K、C为常数 1968年，日本松下电气公司首先开发出ZnO压敏电阻器。 现在，已经实现了从超小型的到巨型的；通流容量从几安培到十万安以上；涌浪吸收能量从焦耳级到达几百千焦；工作电压可以从几伏到几十万伏特。目前压敏陶瓷主要有SiC、TiO2、SrTiO3和ZnO四大类，但应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷。由于ZnO压敏

11、陶瓷呈现较好的压敏特性，在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用。 自七十年代日本首先使用ZnO无间隙避雷器取代传统的SiC串联间隙避雷器以来，国内外都相继开展了这方面的研究。但氧化锌压敏陶瓷在高压领域的应用还存在局限性。如生产高压避雷器，则需要大量的ZnO压敏电阻阀片叠加，不仅加大了产品的外形尺寸，而且高压避雷器要求较低的残压比也极难实现，为此必须研究开发新的高性能高压压敏陶瓷材料。 ZnO系压敏电阻陶瓷 ZnO压敏电阻陶瓷材料，是压敏电阻陶瓷中性能较好的一种材料。主要成分为ZnO，添加其他氧化物烧结而成。这些氧化物大都不是固溶于ZnO中，而是偏析在晶界上形成阻挡层。ZnO压

12、敏陶瓷的显微结构由三部分组成：由主晶相ZnO形成的导电良好的N型半导体晶粒；晶粒表面形成的耗尽的内边界层，添加物所形成的绝缘晶界层。当外加电压达到击穿电压时，电流急剧上升。 要保证制造过程的均匀一致性。磁敏电阻器是一种磁电变换元件，利用磁阻效应制成8.4 磁敏材料1883年，金属导体的磁阻效应1951年，研究了强磁性薄膜的磁阻效应20世纪50年代，发现InSb和InAs等材料具有极高的迁移率，促进了磁敏电阻器的开发。20世纪60年代中期，国际市场上出现了磁敏电阻器。磁敏材料发展历史磁敏电阻器与霍尔器件均属于磁敏元件，但是前者结构简单，并且可以集成，温度系数可以变得很小。磁敏电阻器分为半导体磁敏

13、电阻器和强磁性薄膜磁敏电阻器。工作原理都是以磁阻效应为基础。 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 霍尔元件霍尔元件 电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。 汽车速度测

14、量汽车速度测量:磁敏传感器检测限度)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ + lwx磁阻效应：材料的电阻值随外加磁场的大小而变化。当在半导体材料上沿着与电流流向相垂直的方向加以外磁场时，由于霍尔电场和洛仑兹力的作用，电流与合成电场成一霍尔角流动，从而电流路径增长，阻值增大。电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度系数影响大。 对于长宽比或形状不同的磁敏电阻，其电极间电流流向的偏斜角不同，因此造成的电流路径的长短将会有所差异，即磁阻效应的大小不同，此称为几何磁阻效应。InSb在不同温度下的性能温度 /K电子迁移率cm2/（V s）电阻率 cm霍尔系数RH cm3/C

15、78460 0000.0527 00030060 0000.005350强磁性薄膜磁敏材料 主体材料为强磁性薄膜，工作原理是以强磁性材料的磁阻效应为基础。对于弱磁场的灵敏度很高，具有磁饱和特性。（磁各向异性效应。） 强磁体磁阻效应的基本特征：强磁性材料的磁化方向与电流方向的夹角不同时，其阻值将会发生变化。磁化方向垂直于电流方向时，阻值最小。 镍-铁合金薄膜：Ni含量低时，合金的结构与-Fe一样，为体心立方结构；在镍的质量分数大于30%后与Ni相同，为面心立方结构。在镍的质量分数大于50%后磁化曲线为线性。 一些镍基合金的/0的范围在2-6%。 气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护

16、和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。 如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有对易燃、易爆气体、酒精等的探测也非常重要。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器8.5 气敏和湿敏材料气敏电阻传感器气敏电阻传感器 气敏传感器是多数利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。 气敏氧化物半导体材料，一般都具有多孔结构，气体比较容易深入到材料内部，使其体电阻发生明显改变。 目前，人们对于半导体

17、氧化物的气敏工作机理尚不十分清楚，定型的模型有：原子价控制模型，表面电荷层模型等。 三氧化二铁气敏材料与可燃性气体接触时，Fe3+被还原为Fe2+，这样，材料的电阻率就发生了变化。当然，还原性的可燃气体脱离后或浓度减小后，材料应该能够复原，即反应应该是可逆的。ZnO气敏材料 作为气敏材料用的ZnO晶体中有氧空位和填隙锌原子，它是一种N型半导体，以ZnO为主要原料制成的气体传感器对于C4H10、C3H8、H2和CO等可燃性气体较敏感。加入某些增感剂后其灵敏度会更加改善。 对于两个以上C原子的气体检测灵敏度高，而对于H2、CO和CH4的灵敏度则比较低。酒精传感器酒精传感器现实中传感器的应用非常广泛

18、倒车雷达倒车雷达超声波检测传感器超声波检测传感器 鱼群探测器鱼群探测器 光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移亮度传感器：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。达到节约电能的目的。半导体敏感元件传感器半导体敏感元件传感器 相机测距反射式光电传感器相机测距反射式光电传感器光纤流速传感器光纤流速传感器光纤检测型光电传感器光纤检测型光电传感器作业件检测作业件检测光纤传感器光纤传感器颜色检测颜色检测热辐射检测传感器热辐射检测传感器 绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度赖于物体温度(K)(K)，服从普朗克辐射定律。，服从普朗克辐射定律。传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范