传感器的敏感材料与敏感元件介绍.pptx
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1、第第3章章 传感器的敏感传感器的敏感(mngn)材料及敏感材料及敏感(mngn)元件元件第一页,共70页。传感器的敏感传感器的敏感(mngn)材料及敏感材料及敏感(mngn)元件元件3.1 半导体敏感材料半导体敏感材料(cilio)及元件及元件13.2 陶瓷敏感陶瓷敏感(mngn)材料材料23.3 高分子敏感材料高分子敏感材料33.4 电流变敏感材料电流变敏感材料4第二页,共70页。3 敏感敏感(mngn)材料及元件材料及元件v传感器中的敏感材料是指能直接感受被测量的部分,是传传感器中的敏感材料是指能直接感受被测量的部分,是传感器研究领域中最核心和关键的研究内容。感器研究领域中最核心和关键的研
2、究内容。v敏感元件定义:如果被检测或被控制的量不是电信号敏感元件定义:如果被检测或被控制的量不是电信号,那那么把各种各样的物理量变成电信号来测量的元件么把各种各样的物理量变成电信号来测量的元件,就是所就是所谓敏感元件。谓敏感元件。v根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏感根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材料等。材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材料等。v按照材料的结构类型进行按照材料的结构类型进行(jnxng)分类。该分类方法包括分类。该分类方法包括半导体敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高半导体敏感材料
3、、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。分子敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。第三页,共70页。3.1 半导体敏感半导体敏感(mngn)材料及元件材料及元件v传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高,即可将其他传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高,即可将其他形式能量形式能量(nngling)转换为电能,且易制成器件。转换为电能,且易制成器件。v传感器用的半导体敏感材料种类主要有:元素半导体及化合物;传感器用的半导体敏感材料种类主要有:元素半导体及化合物;金属氧化物以及几种金属氧化物经高温烧结而成的半导体陶瓷、金属氧化物以及几种金
4、属氧化物经高温烧结而成的半导体陶瓷、多元化合物等,此外还有新开发的有机半导体材料,如酞蔷金属多元化合物等,此外还有新开发的有机半导体材料,如酞蔷金属化合物等。化合物等。v在仪器仪表中所用的敏感元件是多种多样的。而半导体在光、电、在仪器仪表中所用的敏感元件是多种多样的。而半导体在光、电、热、磁等因素作用下会产生光电、热电、霍尔、磁阻、压电、场热、磁等因素作用下会产生光电、热电、霍尔、磁阻、压电、场和隧道等效应,利用这些效应可以制做各种具有独特性能的敏感和隧道等效应,利用这些效应可以制做各种具有独特性能的敏感元件,其特点是:灵敏度高、重量轻、响应快、工作电压低等。元件,其特点是:灵敏度高、重量轻、
5、响应快、工作电压低等。第四页,共70页。半导体光敏材料半导体光敏材料(cilio)及元件及元件v光敏半导体材料是将光能转换为电信号的半导体材料,按其换能光敏半导体材料是将光能转换为电信号的半导体材料,按其换能原理原理(yunl)可分为以下两种:可分为以下两种:v 半导体材料接受光子的能量,使半导体材料接受光子的能量,使v载流子由束缚态激发到自由态,从而电导率增大。载流子由束缚态激发到自由态,从而电导率增大。v 入射光在两种半导体的结合处激入射光在两种半导体的结合处激v发起电子发起电子-空穴对,电子与空穴分别被结电场拉开,向相反空穴对,电子与空穴分别被结电场拉开,向相反v方向运动,从而产生感应电
6、动势。用这类材料可制成光电二方向运动,从而产生感应电动势。用这类材料可制成光电二v极管、光电三极管及雪崩光二极管等器件,广泛用于自动控极管、光电三极管及雪崩光二极管等器件,广泛用于自动控v制。制。1.光导效应光导效应(xioyng)半导体材料:半导体材料:2.光电效应半导体材料:光电效应半导体材料:第五页,共70页。3.1.2 半导体磁敏材料半导体磁敏材料(cilio)及元件及元件 v磁敏半导体材料是将磁场强度转换成电信号的材料。按应磁敏半导体材料是将磁场强度转换成电信号的材料。按应v用原理可分为以下两类。用原理可分为以下两类。v v 当有均匀电流流过的半导体材料受到一当有均匀电流流过的半导体
7、材料受到一v垂直于电流方向的磁场作用时,因洛伦兹力作用,产生一横垂直于电流方向的磁场作用时,因洛伦兹力作用,产生一横v向的电场。霍耳电压的大小与磁场强度成正比,依此可将磁向的电场。霍耳电压的大小与磁场强度成正比,依此可将磁v场强度线性地转换为电压信号。要求材料具有高迁移率及薄场强度线性地转换为电压信号。要求材料具有高迁移率及薄v层结构。层结构。v 当半导体中有均匀电流流过,并受垂当半导体中有均匀电流流过,并受垂v直于电场方向的外界磁场作用时,因霍耳效应,电流偏离电直于电场方向的外界磁场作用时,因霍耳效应,电流偏离电v场方向一个角度,使电流所经的路程场方向一个角度,使电流所经的路程(lchng)
8、变长。在电流方向,变长。在电流方向,材材v料两端设置金属元件,电阻就增大。常用料两端设置金属元件,电阻就增大。常用InSb、InAs制作制作v磁敏电阻,同样要求材料具有高迁移率及薄层结构。磁敏电阻,同样要求材料具有高迁移率及薄层结构。1.霍耳效应霍耳效应(hu r xio yn)材料:材料:2.磁电阻效应材料:磁电阻效应材料:第六页,共70页。3.1.3 其他其他(qt)半导体敏感材料及元件半导体敏感材料及元件 v压力敏感半导体材料是将压力转换为电信号的半导体材料。按其换压力敏感半导体材料是将压力转换为电信号的半导体材料。按其换能效应原理,可分为以下两种。能效应原理,可分为以下两种。v 这类材
9、料受外力作用时,产生晶格形变。这类材料受外力作用时,产生晶格形变。v晶格的距离改变,导致禁带宽度及载流子在电场下的运动状晶格的距离改变,导致禁带宽度及载流子在电场下的运动状v态发生变化,促使电阻率改变。态发生变化,促使电阻率改变。v 这类材料的作用机理这类材料的作用机理(j l)都基于压电效应。都基于压电效应。v当外力作用到不具有对称中心的晶体上时,引起晶体中荷电当外力作用到不具有对称中心的晶体上时,引起晶体中荷电v质点位移,偏离平衡位置,使材料的正负电重心不重合而极质点位移,偏离平衡位置,使材料的正负电重心不重合而极v化,晶体表面荷电。化,晶体表面荷电。1.压阻半导体材料压阻半导体材料(ci
10、lio):2.压电半导体材料:压电半导体材料:第七页,共70页。3.2 陶瓷陶瓷(toc)敏感材料敏感材料 v某些精密陶瓷对声、光、电、热、磁、力场及气体分布场显示某些精密陶瓷对声、光、电、热、磁、力场及气体分布场显示了优良的敏感特性和耦合特性,容易制得各种单功能与多功能了优良的敏感特性和耦合特性,容易制得各种单功能与多功能的传感器的传感器 v由于与半导体陶瓷的导电性有关的现象多半跟晶界的存在由于与半导体陶瓷的导电性有关的现象多半跟晶界的存在(cnzi)及性质有关,故与晶界有关的各种现象往往成为陶瓷及性质有关,故与晶界有关的各种现象往往成为陶瓷的特殊功能。的特殊功能。v目前已得到实用的陶瓷传感
11、材料可分为:目前已得到实用的陶瓷传感材料可分为:利用晶体本身性质利用晶体本身性质的的NTC热敏电阻、高温热敏电阻和氧气传感器;热敏电阻、高温热敏电阻和氧气传感器;利用晶界性利用晶界性质的质的PTC热敏电阻、半导体电容器;热敏电阻、半导体电容器;利用表面性质的半导体利用表面性质的半导体电容器、电容器、BaTiO3系压敏电阻、各种气体传感器、湿度传感器。系压敏电阻、各种气体传感器、湿度传感器。第八页,共70页。3.2.1 温度温度(wnd)敏感陶瓷材料敏感陶瓷材料 v陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半v导等物理性质随温度而变化的现象
12、制成的,其中电阻随温度导等物理性质随温度而变化的现象制成的,其中电阻随温度v变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求(yoqi)包括包括v有:有:电阻率;电阻率;温度系数的符号与大小;温度系数的符号与大小;稳定性。稳定性。v按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻v(NTC),正温度系数热敏电阻(),正温度系数热敏电阻(PTC)和临界温度电阻)和临界温度电阻v(CTR)3类。类。第九页,共70页。v负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(r mn din z)之温度之温度电阻特电阻特性可表示为
13、:性可表示为:v v (3-1)当热敏电阻是由氧化物组成时,其热敏电阻常数当热敏电阻是由氧化物组成时,其热敏电阻常数 ,其中,其中 为杂质在半导体中的电场能,为杂质在半导体中的电场能,k为波尔兹为波尔兹曼常数。据此,掺以不同曼常数。据此,掺以不同(b tn)种类的杂质或改变氧化物的种类的杂质或改变氧化物的组成组成比,即可得到不同比,即可得到不同(b tn)的的B值。值。式中:式中:R、R0为、为、T、T0时的电阻值;时的电阻值;B为热敏电阻为热敏电阻(r mn din z)常数。常数。由上式可得电阻温度系数为:由上式可得电阻温度系数为:。第十页,共70页。3.2.2 湿度湿度(shd)敏感陶瓷
14、材料敏感陶瓷材料 v湿度传感器材料的特点包括可靠性高、稳定性好、响应速湿度传感器材料的特点包括可靠性高、稳定性好、响应速v度快、灵敏度高,在实用的范围度快、灵敏度高,在实用的范围(fnwi)内能长时间经受其内能长时间经受其他气体的他气体的v侵袭和污染而保持性能不变以及对温度依赖性小。侵袭和污染而保持性能不变以及对温度依赖性小。v陶瓷材料的物理化学性质稳定,通过控制原料组成、成型、陶瓷材料的物理化学性质稳定,通过控制原料组成、成型、v烧结等工艺可以使陶瓷材料具有特定的孔隙度这些气孔可以烧结等工艺可以使陶瓷材料具有特定的孔隙度这些气孔可以v吸附、吸收或凝结水蒸气,所以这种陶瓷材料适合做湿度传吸附、
15、吸收或凝结水蒸气,所以这种陶瓷材料适合做湿度传v感器材料。感器材料。第十一页,共70页。v1 多孔陶瓷多孔陶瓷(toc)的湿敏机理的湿敏机理v(1)等价电路)等价电路如图如图3-1所示多孔陶瓷所示多孔陶瓷(toc)等价电路等价电路多孔陶瓷等价电路如图多孔陶瓷等价电路如图3-1所示,图中所示,图中CB、RB是陶瓷自身的电容、电阻,是陶瓷自身的电容、电阻,、是吸附在贯通是吸附在贯通(guntng)细孔表面的水的电容、电阻,细孔表面的水的电容、电阻,、是存在于入是存在于入口细孔的电极间陶瓷的口细孔的电极间陶瓷的电容、电阻。电容、电阻。第十二页,共70页。总电阻总电阻(dinz)Zob由下式给出:由下
16、式给出:在绝缘性金属氧化物中,在绝缘性金属氧化物中,RB的电的电阻是相当大的,在室温下,阻是相当大的,在室温下,。通过。通过(tnggu)多次实验判定,多次实验判定,相对于表面吸附水而言,相对于表面吸附水而言,ZSRS,ZX由由CB和和RS决定。所以,式决定。所以,式(3-2)可改为:)可改为:(3-2)第十三页,共70页。v(2)影响感湿特性的因素)影响感湿特性的因素 v1)细孔表面积)细孔表面积v入口细孔的存在会造成入口细孔的存在会造成(zo chn)材料的感湿灵敏度降低,所以材料的感湿灵敏度降低,所以元件中元件中v的细孔最好是完全贯通细孔自身构成。的细孔最好是完全贯通细孔自身构成。由图可
17、知由图可知(k zh)细孔的表面积越细孔的表面积越大,则多孔陶瓷的电阻率越小。大,则多孔陶瓷的电阻率越小。图图3-2 在在90%RH(1kHz)下表面氧化)下表面氧化(ynghu)的细孔表面积和电阻率关系的细孔表面积和电阻率关系 第十四页,共70页。2)表面氢氧基浓度)表面氢氧基浓度由烧结由烧结(shoji)法得到的氧化物表面上都存在着一定的表面法得到的氧化物表面上都存在着一定的表面氢氧基。氢氧基。表面氢氧基的浓度和导电性的关系满足表面氢氧基的浓度和导电性的关系满足Anderson关系。关系。图图3-3表示的是硅胶的电阻与表示的是硅胶的电阻与表面氢氧基浓度的关系。随着表面氢氧基浓度的关系。随着
18、氢氧基浓度的增加电阻逐渐增氢氧基浓度的增加电阻逐渐增大的。大的。图图3-3硅胶的电阻硅胶的电阻(dinz)与表面氢氧基浓度关系与表面氢氧基浓度关系第十五页,共70页。3)物理吸附水量)物理吸附水量 电传导是由含有活化过程的质子或水和质子之间进行电传导是由含有活化过程的质子或水和质子之间进行(jnxng)的。质的。质子的生成是由吸附水的解离而成,则电导率子的生成是由吸附水的解离而成,则电导率满足下列关系满足下列关系式:式:式中,式中,k为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数(chngsh);T为绝对温度;为绝对温度;E为活为活化能。化能。第十六页,共70页。图图3-4表示多孔氧化铝的活化能表示多孔氧化铝的
19、活化能E和和水覆盖率水覆盖率之间的关系之间的关系(gun x)。当。当水覆盖水覆盖率率时活化能时活化能E减小的趋势变减小的趋势变得缓和了,在高覆盖率时活化能得缓和了,在高覆盖率时活化能E接近。在纯水中的活化能约接近。在纯水中的活化能约等于。在等于。在覆盖状态覆盖状态下的吸附水接近液体水的状态。在下的吸附水接近液体水的状态。在水中的质子活化能约等于。水中的质子活化能约等于。图图3-4表示表示(biosh)多孔氧化铝的活化能多孔氧化铝的活化能和水覆盖率之间的关系和水覆盖率之间的关系第十七页,共70页。v(3)改善陶瓷湿敏特性的方法)改善陶瓷湿敏特性的方法 v1)在陶瓷基体中引入强酸性离子:可以有效
20、降低湿度敏)在陶瓷基体中引入强酸性离子:可以有效降低湿度敏感材料的电阻,但这种质子是可能与碱离子进行交换的,感材料的电阻,但这种质子是可能与碱离子进行交换的,对传感器的稳定性不利。对传感器的稳定性不利。v2)在陶瓷基体中引入碱离子来降低陶瓷的体电阻。如在)在陶瓷基体中引入碱离子来降低陶瓷的体电阻。如在ZrSiO4烧结体中通过烧结体中通过XH2PO4(X=H、Na、K)的方式引)的方式引入碱离子,其电阻对应于湿度都呈指数式下降。入碱离子,其电阻对应于湿度都呈指数式下降。v3)改变)改变(gibin)陶瓷自身的物性。如超离子导电体陶瓷自身的物性。如超离子导电体Na3Zr2Si3PO12及其类似化合
21、物,对于空气、湿度有良好及其类似化合物,对于空气、湿度有良好的稳定性,在干燥状态下易得到的稳定性,在干燥状态下易得到1cm以下的电阻率。以下的电阻率。第十八页,共70页。v2 尖晶石型陶瓷敏感材料尖晶石型陶瓷敏感材料 v(1)尖晶石型结构)尖晶石型结构v尖晶石的结构化学通式为尖晶石的结构化学通式为AB2O4。按。按A在晶体结构中所处在晶体结构中所处的的v位置不同可分为正尖晶石(基本属于绝缘体)、反尖晶石位置不同可分为正尖晶石(基本属于绝缘体)、反尖晶石v(电导率最大,通常为半导体)和半反尖晶石(电导率小(电导率最大,通常为半导体)和半反尖晶石(电导率小于于v全反尖晶石)。全反尖晶石)。v尖晶石
22、的晶胞结构如图尖晶石的晶胞结构如图3-5所示。所示。v每个晶胞有每个晶胞有32个氧离子个氧离子(lz)(O2-),),v16个个B3+,8个个A2+。每个晶胞有。每个晶胞有8v个立方单元组成。个立方单元组成。图图3-5尖晶石的晶胞尖晶石的晶胞(jn bo)结构结构第十九页,共70页。这这8个单元可分为甲、乙两种结构类型,如图个单元可分为甲、乙两种结构类型,如图3-6(a)、()、(b)所示。每两个共面的立方单元属于不同类型的结构。每两个所示。每两个共面的立方单元属于不同类型的结构。每两个立方单元属于不同类型的结构。每两个共边的立方单元属于立方单元属于不同类型的结构。每两个共边的立方单元属于同类
23、结构。每个小立方单元内有同类结构。每个小立方单元内有4个氧离子,他们均位于体个氧离子,他们均位于体对角线中点至顶点的中心。对角线中点至顶点的中心。所以所以(suy)整个晶胞整个晶胞32个氧离子,个氧离子,金属离子处于氧离子密堆金属离子处于氧离子密堆积的空隙中。间隙较小的积的空隙中。间隙较小的是氧四面体中心,为是氧四面体中心,为A位置,位置,间隙较大的则是氧八面体间隙较大的则是氧八面体位置,为位置,为B位置。位置。图图3-6 两种结构两种结构(jigu)类类型型第二十页,共70页。v(2)典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料(cilio)v纯纯MgCr2O4为正尖晶石
24、结构,是绝缘体,不宜用作感湿为正尖晶石结构,是绝缘体,不宜用作感湿材料材料(cilio)。v当加入适量杂质,如当加入适量杂质,如MgO、TiO2、SnO2等;或在高温煅等;或在高温煅v烧,瓷体中呈现过量的烧,瓷体中呈现过量的MgO时,时,vMgCr2O4即形成半导体。即形成半导体。v图图3-7表示表示MgCr2O4中添加受主中添加受主v杂质杂质MgO时对电阻率的影响。时对电阻率的影响。图图3-7 杂质杂质(zzh)(MgO)对电阻率的影响)对电阻率的影响第二十一页,共70页。v当当TiO2加入量小于加入量小于20%(mol)时,电阻率迅速增加。当)时,电阻率迅速增加。当v加入加入TiO2的量较
25、大时的量较大时 20%90%(mol),电阻率降低。,电阻率降低。v这是由于这是由于Ti3+;离子提供过多的电子,除补偿;离子提供过多的电子,除补偿(bchng)了了MgCr2O4的的v空穴外,多余的电子形成空穴外,多余的电子形成n型电导,型电导,v见图见图3-8。当。当TiO2的量过大的量过大v超过超过90%(mol)时,由时,由v于形成大量的金红石于形成大量的金红石v相,电阻率又增加。相,电阻率又增加。图图3-8 TiO2含量含量(hnling)对电阻的影响对电阻的影响第二十二页,共70页。v3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料v钙钛矿型结构的化学通式为钙钛矿型结构
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