非晶材料在传感器中的应用

1、非晶材料在传感器中的应用论文关键词：单晶材料多晶材料非晶材料非晶硅非晶磁性材料非晶传感器论文摘要：摘要：对敏感功能材料研究开发所呈现的主要趋势之一就是从单晶材料向多晶材料和非晶材料方向过渡开展。由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料的限制性孝性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因此受到多方面青睐。本文侧重介绍非晶材料的现状、根本特性及其在传感器中的应用与展望。一、引言最近，对敏感功能材料的研制开发所呈现的主要趋势之一就是从单晶材料向多晶材料和非晶材料的方向过渡开展。到目前为止，传感器中应用的敏感功能材料多为单晶材料，特别是物理类传感器更是如此。例如，光敏传感器一直就是用si、gaas之类的单晶半

2、导体。另一方面，气敏传感器主要由多晶材料或多孔陶瓷构成。陶瓷由粉末混合物经模压、烧结而形成。采用理想特性的原材料并对烧结工艺严加管制，便可制成一种精细陶瓷，使之应用于传感器，从而开拓了陶瓷拓宽应用的新天地。单晶传感器仅利用了晶体的体性能，而多晶传感器和陶瓷传感器那么利用了多孔性和晶粒边界特性，从而开拓了拓宽应用于气敏传感器和热敏传感器的新途径。非晶材料大致分为非晶磁性材料和非晶半导体材料。引人注目的非晶合金现已步入实用阶段，特别是近年来又在根底和应用方面作了深化研究，从而理解非晶金属在结晶状态所具有的独特物性，使之拓宽应用于传感器，颇具实用价值。二、背景材料以及非晶材料的应用现状随着人类认识的

3、开展和技术的进步,从20世纪50年代涌现了假设干新型非晶态材料,包括非晶合金、非晶半导体、非晶超导体、非晶离子导体和有机高分子玻璃等。其中非晶合金中原子的混乱排列情况类似于玻璃,故又称为金属玻璃。金属玻璃可由多种工艺制备，所有工艺都涉及将合金从液态或气态快速凝固，凝固过程非常快以致将原子的液体组态冻结下1-3。它们在热力学上处于亚稳状态,在晶化温度以上即可克制一定大小的能垒而转变成晶态。研究说明,非晶态构造上与液体相似(见图1),原子排列是短程有序的;从总体上来说是长程无序的,宏观上可将其看作均匀、各向同性的。非晶态构造的另一个特点是热力学的不稳定性,存在向晶态转化的趋势,即原子趋于规那么排列

4、。为了进一步理解非晶态的构造,通常在理论上把非晶态材料中原子的排列情况模型化,其模型归纳起来可分为两大类。一类是不连续模型,如微晶模型、聚集团模型等;另一类是连续模型,如连续无规那么网格模型、硬球无规密堆模型等。虽然所建立的种种模型4于描绘非晶态材料的真实构造还不够准确。但在解释非晶态材料的某些特性如弹性、磁性上,还是获得了一定的成功。非晶态合金的长程无序、短短有序的特性导致非晶态金属有着良好的机械性能、优良的化学性能以及优异的软磁性能。图1气、液、晶态和非晶态双体分布函数51、非晶磁性材料非晶磁性材料是杜韦斯(dues)1960年用液体淬火法率先合成的，如今这种敏感功能材料已在传感器中得到日

5、益广泛的应用，而且展望将来还可用于更大的开展。非晶磁性材料具有以下特性：缺乏晶体材料所具有的磁各向异性，导磁率高，损耗校也就是说，旋转磁化容易，各向磁场灵敏度高，因此，可用来构成高灵敏度磁场计或磁通量传感器。现已相继开发出应力磁效应式高灵敏度应力传感器、磁致伸缩效应式机械传感器。具有高电阻率(比坡莫合金高几倍)，因此，即使是在高频范围内也能得到较小的涡流损耗和极好的磁特性，有效利用此特性便可开发研制出磁性晶体难以实现的快速响应传感器。不存在晶粒边界、位错等晶体材料固有的缺陷，因此机械强度高，抗化学性强。直到居里温度近似为200500k，其组合成分均可随意确定。因此，可望用于开发研制快速响应温度

6、传感器。2、非晶硅非晶硅自1976年由斯皮尔(spear)通过控制手段对其掺杂以来，在光生伏打方面的应用是人所共知的。例如，内置非晶硅太阳电池的袖珍计算器现已普及化，比比皆是。非晶硅用作传感器敏感功能材料有很大潜力，主要表如今非晶硅具有一般晶体材料难以得到的特性：在可见光范围内非晶硅的光吸收系数高；使微晶相与非晶相混合，可得到类晶体性能；淀积温度低200300，可随意选用基片材料，如可用有机膜；可淀积均匀性良好的大面积薄膜；淀积膜的长期稳定性和可靠性良好；可在曲面和平面上淀积薄膜；可应用光刻工艺；可用非晶材料制作有源和无源元件，可在多种基片材料上生长，可用来制作三维电路。三、非晶材料的根本特征

7、非晶金属材料具有下述根本特性：1、高透磁率基高透磁率非晶金属由、si、fe、b主成分组成，添加n、nb、r等元素。图2所示为透磁率频率特性，并与结晶材料作了比拟。图示说明，非晶材料从低频到高频领域均为高的透磁率。为了得到高透磁率，须严密控制组合成分，使磁致伸缩常数大致为零，竭力减小在制造过程中及热处理过程中容易发生的感应磁各向异性，如此便可获得高透磁率。再就非晶材料的实用性而言，至关重要的一点就是时效稳定性问题。非晶是亚稳定物质，因此当升温达结晶温度以上时就起结晶作用。因此，磁特性、机械特性便随之大幅度降低。这样即使在结晶温度以下的温度领域，磁特性也呈现缓慢变化现象。通过精心热处理，可望减小时

8、效变化。但对使用温度环境下的时效稳定性，须抓住充分斟酌、精心设计这一重要环节。图2高透磁率基非晶金属的有效透磁率频率特性2、低铁耗、大仰角组合成分为基材料，与高透磁率为同一系统。由于转换电源用的饱和扼流圈等的b-h曲线磁化曲线需用大仰角，因此通过热处理使磁心的磁路方向发生感应各向异性，如此便可获得低铁耗、大仰角的磁特性。表1低铁耗大仰角非晶金属的磁特性基非晶*1坡莫合金*2矩形铁素体铁耗0.2/100k90038003400矩形比b0.900.970.88顽磁力h(a/)0.568.040饱和磁通密度bs(t)0.781.510.40居里温度k543773480结晶温度k798-注：*1.片厚

9、20*2.片厚1003、高饱和磁通密度根本组合成分为fe、si、b，以进步耐蚀性、降低铁耗为目的，还可适量添加r、ni、nb等元素。表3列出高饱和磁通密度fe基非晶金属的磁特性，并与方向性硅钢板作了比拟。铁耗要比硅钢小1/31/5。4、高磁通密度由于fe基非晶金属无结晶磁各向异性，透磁率大，而且磁致伸缩大，即使是弱磁场也能发生大的磁致伸缩，因此作为磁致伸缩材料的应用开发相当活泼。非晶材料的k值显著大于结晶材料。可用作超声波元件而特别引人注目。四、应用由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料限制孝性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因此作为敏感功能材料倍受青睐，现已日益广泛应用于各种传感器。图3所示

10、为主要用例。图3非晶硅传感器1、光传感器6有效利用非晶硅的特性便可研制成高性能的光传感器。非晶硅光传感器有光导电池式和光敏二极管式2种。光敏二极管具有与太阳电池一样的p-i-n构造，非晶硅光敏二极管的灵敏度和响应时间与单晶硅光敏二极管相近。光导电池图6所示为未掺杂非晶硅的一个典型特性光导性与单色光强度的函数关系。在1/2的光照下非晶硅的光导性增大3个数量级，衰减时间约为10s，其时间拖尾长。光敏二极管图3所示为非晶硅pin型光敏二极管的构造简图。图4所示为不同波长时短路电流与单色光强度的函数关系。在很宽的范围内短路电流与光强度均成线性比例关系。波长较短时其短路电流比波长较长时大69倍。图5所示

11、为非晶硅二极管的响应时间与负载电阻特性的关系曲线。响应时间依赖于负载电阻，影响响应时间的决定因素是r常数。在同样的负载电阻下对绿光的响应时间比对红光的长，绿光时的导通时间为3.6s，截止时间为4.5s。图3pin型光敏二极管构造图图4短路电流与单色光强度的函数关系。图5非晶硅响应时间与浮在电阻的特性的关系曲线色传感器利用非晶硅特性研制成集成型全色传感器。图6示出构造不同的3种集成型色传感器。用这类传感器至少可识别12种颜色。图7所示为集成型色传感器的光谱响应特性及其与温度的关系。集成型色传感器由红光传感器、绿光传感器及蓝光传感器3个光传感器组成。当其入射光的强度与相对的波长为均匀状态时，红光、

12、绿光和蓝光传感器的灵敏度比为5:3:2。在2060的温度范围内，蓝光传感器和红光传感器的光谱响应变化很小，集成型非晶硅色传感器的响应时间约为1s。图6集成型色传感器的构造图7集成型色传感器的光谱响应特性及其与温度的关系单片光耦合器任意类型的基片上可在淀积非晶硅，利用此特性来制作单片光耦合器，将非晶硅光敏二极管直接形成在gap发光二极管上。非晶硅gap单片光耦合器的构造简图如图8所示，其电流传输比为0.004%，响应时间为10s。通过优化器件构造，可望进一步进步其性能。单片光耦合器是非晶硅光敏二极管的一个应用实例。图8弹片光耦合器的构造简图图像传感器线性光传感器的构造简图如图9所示，研制成宽度为

13、216的传感器阵列，内含1728个象素。图10示出在单晶硅基片上制作的图象传感器，由s型扫描器和非晶硅光导层组成。形式识别传感器是图像传感器的另一个应用实例。图11示出形式识别传感器的构造简图，由设置在2块透明板之间的光传感器阵列1616，22构成。图9线性光传感器的构造简图图10固态图像传感器的构造简图图11形式识别传感器的构造简图2、温度传感器首先介绍西贝克效应7：如以下图11所示，所谓西贝克效应就是指当一种材料两端有温度差时，在材料内部将形成电场，相应的存在电动势。假设把材料两端相连成闭合电路，线路中有电流通过。通常用温差电动势率来表示这一电动势，它是材料两端单位温度差引起的温差电动势，

14、对于晶态半导体，可推出其温差电动势率s为，n型：qutenqute1p型：sp=qute2tt+tt0图12西贝克效应示意图式中q为电子电荷的绝对值，a-和a+是接近1的常数，可以推出对于n型，quten0，sp0。因此，可以通过测量温差电动势的正负的方法来判断半导体的导电类型。金属温差电动势比晶态半导体要小得多，一般金属的费米能级数量级为几个电子伏特，因此金属的温差电动势绝对值约为几个qute，而晶态半导体的温差电动势率绝对值在室温时可达几百qute对于一般的非晶态半导体温差效应，与它的三种导电机制相对应，它的温差电效应也分成三个不同温度讨论。当温度足够高时，以扩展态中的电子导电为主时，非晶

15、态半导体的温差电动势与晶态半导体很类似，它们的n型和p型半导体具有一样的表达式。随着温度降低，当以带尾局域态电子导电时，非晶态半导具有1式和2式的形式，只是式中的e和ev分别换成ea和eb，a-，a+值更校当温度进一步降低，以禁带中的缺陷局域态中的电子导电为主时，非晶态半导体的温差电动势率s有类似于金属的形式，同样s值很小，符号可正可负，取决于对电流做主要奉献的电子能态是位于费米能级ef的上方还是下方。图13示出非晶硅的热电势与温差的关系。由于非晶硅的西贝克seebek系数高，因此可用来研制高灵敏度的温度传感器。在室温附近西贝克系数几乎为常数，n型和p型材料的西贝克系数分别为-120v/k-2

16、20v/k和170v/k280v/k，比金属的西贝克系数大2个数量级。为了增大西贝克效应的灵敏度，形成p-n结可能是有益的。由于通过半导体的p-n结呈现整流特性，因此对灵敏度和热电势的线性有影响。相反，非晶硅的p-n结呈现欧姆特性，因此对热电势特性无影响，仅使其输出到达n型或p型材料时的2倍左右。如图13所示，非晶硅的p-n型结具有良好的线性热电势，其西贝克系数为338v/k，大约等于n-型和p-型材料绝对西贝克系数的总和。图13非晶硅的热电势与温差的关系非晶硅热电传感器7：目前作为微波和光学的波段检测用的传感器，有通过把功率转换为焦耳热进展检测的金属薄膜热电偶传感器和利用光电效应的非晶态半导

17、体传感器等，例如bi-sb薄膜热电偶和si-ta2n薄膜热电偶等。用p-n结型非晶硅薄膜，检测灵敏度可进步20倍以上，同时，由于非晶硅的温差电动势率的温度系数很小，可做到小于1%，因此非晶态硅热电传感器可以作为很好的从微波到光波波段范围的功率传感器。利用非晶硅薄膜制作热电传感器除了在性能上的优点外，还有以下几个特点：1利用晶态半导体薄膜的传感器通常是研磨晶体外表以形成薄膜，或利用热解法形成晶体薄膜，基片温度在700-800qute以上，而如今利用辉光放电的方法，基片只需300qute左右，因此非晶硅薄膜容易形成。2由于薄膜的形成与晶态半导体薄膜的外延生长不同，因此基片不需使用晶态材料，另外由于

18、基片温度降低到300qute左右，高分子聚合物材料也可作为基片，总之对基片的要求较低。3由于非晶硅薄膜在机械方面是稳定的，这样集成技术中的光刻等典型的细微加工技术仍可用，因此容易微型化。4制造方法比拟简单，有利于大量廉价消费。显然，这些特点不仅限于用非晶硅制成的热电传感器，利用非晶硅薄膜制作的其他传感器和电子原件等也都具有这些特点。3、压力传感器微晶相和非晶相混合所产生的压阻效应,与常规的金属应变计相比，其灵敏度要高1个数量级,应变因子可达60。图15示出用光vd法在150温态下和等离子vd法制作的n型-si:h压阻效应的比拟。压阻性随所加应变的关系在各个方向均为线性变化。应变因子的温度系数很

19、小，仅为0.2%/k，此值很容易得到补偿。在大面积挠性有机薄膜上淀积非晶硅的可能性，使得这种材料适用于传感外表包括曲面上的压力分布和形状识别。这类传感器对于人造皮肤的应用机器人的手有很大的潜力。图15压阻效应的比拟4、功率传感器高灵敏度的半导体热电偶可用作热电堆功率传感器。热电堆由非晶硅膜和金属膜组成，后者用作一个电阻，以耗散所施加的电功率，并变换成焦耳热。图14示出热电堆的输出电压与施加直流功率的函数关系曲线。输出电压与所加直流功率成正比增加，直到10v时其线性度为小于0.3%。此功率传感器的灵敏度是1v/，约为bi-sb热电偶所得值的10倍。图14热电堆的输出电压与施加直流功率的函数关系电信设备包括音频至射频范围的消费和维护所用的电平表已用非晶硅热电堆功率传感器制成。非晶硅电平表均方根值检测表与常规的真空管型热偶表相比，具有较好的线性、温度稳定性和精度。五、总结总之,非晶态材料是一种大有前途的新材料,但也有不尽如人意之处。其缺点主要表如今两方面,由于主要是采用急冷法制备材料,使其厚度受到限制;热力学上不稳定,受热有晶化倾向。另外,由于使用rsp