《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 赵勇 第3章 传感器敏感材料及器件3.1-3.4》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 赵勇 第3章 传感器敏感材料及器件3.1-3.4（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 传感器的敏感材料及敏感元件,传感器的敏感材料及敏感元件,3.1 半导体敏感材料及元件,1,3.2 陶瓷敏感材料,2,3.3 高分子敏感材料,3,3.4 电流变敏感材料,4,3 敏感材料及元件,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。 敏感元件定义：如果被检测或被控制的量不是电信号, 那么把各种各样的物理量变成电信号来测量的元件, 就是所谓敏感元件。 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。 按照材料的结构类型进行分类。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
2、机高分子敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。,3.1 半导体敏感材料及元件,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转换为电能，且易制成器件。 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、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。 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。,3.1.1半导体
3、光敏材料及元件,光敏半导体材料是将光能转换为电信号的半导体材料，按其换能原理可分为以下两种： 半导体材料接受光子的能量，使 载流子由束缚态激发到自由态，从而电导率增大。 入射光在两种半导体的结合处激 发起电子-空穴对，电子与空穴分别被结电场拉开，向相反 方向运动，从而产生感应电动势。用这类材料可制成光电二 极管、光电三极管及雪崩光二极管等器件，广泛用于自动控 制。,1.光导效应半导体材料：,2.光电效应半导体材料：,3.1.2 半导体磁敏材料及元件,磁敏半导体材料是将磁场强度转换成电信号的材料。按应 用原理可分为以下两类。 当有均匀电流流过的半导体材料受到一 垂直于电流方向的磁场作用时，因洛伦
4、兹力作用，产生一横 向的电场。霍耳电压的大小与磁场强度成正比，依此可将磁 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 层结构。 当半导体中有均匀电流流过，并受垂 直于电场方向的外界磁场作用时，因霍耳效应，电流偏离电 场方向一个角度，使电流所经的路程变长。在电流方向，材 料两端设置金属元件，电阻就增大。常用InSb、InAs制作 磁敏电阻，同样要求材料具有高迁移率及薄层结构。,1.霍耳效应材料：,2.磁电阻效应材料：,3.1.3 其他半导体敏感材料及元件,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。 这类材料受外力作用时，产生晶格形变。 晶格的
5、距离改变，导致禁带宽度及载流子在电场下的运动状 态发生变化，促使电阻率改变。 这类材料的作用机理都基于压电效应。 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 质点位移，偏离平衡位置，使材料的正负电重心不重合而极 化，晶体表面荷电。,1.压阻半导体材料：,2.压电半导体材料：,3.2 陶瓷敏感材料,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的传感器 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。 目前已得到实用的陶瓷传感材料可分为：利用晶体本身性质的NTC热敏
6、电阻、高温热敏电阻和氧气传感器；利用晶界性质的PTC热敏电阻、半导体电容器；利用表面性质的半导体电容器、BaTiO3系压敏电阻、各种气体传感器、湿度传感器。,3.2.1 温度敏感陶瓷材料,陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半 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 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：电阻率；温度系数的符号与大小；稳定性。 按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻 （NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻 （CTR）3类。,负温度系数热敏电阻之温度电阻特性可表示为：,（3-1）,当热敏电阻是由氧化物组成时，其热
7、敏电阻常数 ，其中 为杂质在半导体中的电场能，k为波尔兹 曼常数。据此，掺以不同种类的杂质或改变氧化物的组成 比，即可得到不同的B值。,式中：R、R0为、T、T0时的电阻值；B为热敏电阻常数。 由上式可得电阻温度系数为： 。,3.2.2 湿度敏感陶瓷材料,湿度传感器材料的特点包括可靠性高、稳定性好、响应速 度快、灵敏度高，在实用的范围内能长时间经受其他气体的 侵袭和污染而保持性能不变以及对温度依赖性小。 陶瓷材料的物理化学性质稳定，通过控制原料组成、成型、 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 吸附、吸收或凝结水蒸气，所以这种陶瓷材料适合做湿度传 感器材料。,1 多孔陶瓷的湿敏
8、机理 （1）等价电路,如图3-1所示多孔陶瓷等价电路,多孔陶瓷等价电路如图3-1所示，图中CB、RB 是陶瓷自身的电容、电阻， 、 是吸附在贯通 细孔表面的水的电容、电阻， 、 是存在于入 口细孔的电极间陶瓷的 电容、电阻。,总电阻Zob由下式给出：,在绝缘性金属氧化物中，RB的电阻是相当大的，在室温下， 。通过多次实验判定，相对于表面吸附水而言，ZSRS，ZX由CB和RS决定。所以，式（3-2）可改为：,（3-2）,（2）影响感湿特性的因素 1）细孔表面积 入口细孔的存在会造成材料的感湿灵敏度降低，所以元件中 的细孔最好是完全贯通细孔自身构成。,由图可知细孔的表面积越大，则多孔陶瓷的电阻率越
9、小。,图3-2 在90%RH（1kHz）下表面氧化的细孔表面积和电阻率关系,2）表面氢氧基浓度 由烧结法得到的氧化物表面上都存在着一定的表面氢氧基。 表面氢氧基的浓度和导电性的关系满足Anderson关系。 图3-3表示的是硅胶的电阻与 表面氢氧基浓度的关系。随着 氢氧基浓度的增加电阻逐渐增 大的。,图3-3硅胶的电阻与表面氢氧基浓度关系,3）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的。质 子的生成是由吸附水的解离而成，则电导率满足下列关系 式：,式中，k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；E为活化能。,图3-4表示多孔氧化铝的活化能E和 水覆盖率之间的关系。当水覆盖 率2.5时
10、活化能E减小的趋势变 得缓和了，在高覆盖率时活化能E 接近0.1eV。在纯水中的活化能约 等于0.26eV。在2.5覆盖状态 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0.1eV。,图3-4表示多孔氧化铝的活化能 和水覆盖率之间的关系,（3）改善陶瓷湿敏特性的方法 1）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，对传感器的稳定性不利。 2）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XH2PO4（X=H、Na、K）的方式引入碱离子，其电阻对应于湿度都呈指数式下降。 3）改变陶瓷自身的物性。如超离子导电体N
11、a3Zr2Si3PO12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1cm以下的电阻率。,2 尖晶石型陶瓷敏感材料 （1）尖晶石型结构 尖晶石的结构化学通式为AB2O4。按A在晶体结构中所处的 位置不同可分为正尖晶石（基本属于绝缘体）、反尖晶石 （电导率最大，通常为半导体）和半反尖晶石（电导率小于 全反尖晶石）。 尖晶石的晶胞结构如图3-5所示。 每个晶胞有32个氧离子（O2-）， 16个B3+，8个A2+。每个晶胞有8 个立方单元组成。,图3-5尖晶石的晶胞结构,这8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
12、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 同类结构。每个小立方单元内有4个氧离子，他们均位于体 对角线中点至顶点的中心。 所以整个晶胞32个氧离子， 金属离子处于氧离子密堆 积的空隙中。间隙较小的 是氧四面体中心，为A位置， 间隙较大的则是氧八面体 位置，为B位置。,图3-6 两种结构类型,（2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响
13、。,图3-7 杂质（ MgO ）对电阻率的影响,当TiO2加入量小于20%（mol）时，电阻率迅速增加。当 加入TiO2的量较大时 20%90%（mol），电阻率降低。 这是由于Ti3+；离子提供过多的电子，除补偿了MgCr2O4的 空穴外，多余的电子形成n型电导， 见图3-8。当TiO2的量过大 超过90%（mol）时，由 于形成大量的金红石 相，电阻率又增加。,图3-8 TiO2含量对电阻的影响,3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料 钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaT
14、iO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。,BaTiO3陶瓷样品在大气中随时间变化的直流电阻与电容 （温度为27，湿度约为98%）的关系如图3-14和图3-15所 示。BaTiO3陶瓷样品受大气中水汽影响使直流电阻、电容 随时间而变化，这种变化是空气中水汽向样品扩散过程的反 映，样品随吸附的水汽浓度增加，直流电阻和电容值发生变 化。,图3-14 BaTiO3陶瓷样品直流 电阻随时间的变化规律,图3-15 BaTiO3样品电容随时间 的变化规律（=1kHz）,4 厚膜型陶瓷湿度敏感材料 将具有感湿特性金属
15、氧化物微粒经过堆积、粘接而形成的材料，可称之为陶瓷厚膜，用这种厚膜陶瓷材料制作的湿敏器件，一般被称为厚膜型陶瓷湿敏器件或瓷粉型湿敏器件，以与薄膜（厚度d一般在220m范围）相区别。 厚膜型湿度敏感材料的理化性能比较稳定、器件结构比较简单、测湿量程大、使用寿命长、成本低廉。 厚膜型Fe3O4湿敏器件的阻值，一般要高于烧结型陶瓷湿敏器件的阻值，在低湿段其阻值要在107以上。然而，当环境湿度发生变化时，Fe3O4湿敏器件阻值变化却非常之大。感湿膜结构的松散、微粒间的不紧密接触，既造成接触电阻的偏大，又使这种多孔性的感湿膜具有较强的透湿能力。,3.2.3 气体敏感陶瓷材料,气敏陶瓷的电阻值将随所处环境
16、的气氛而改变，其阻值随气体的浓度作有规则的变化。常见的半导体气敏陶瓷有SnO2，ZnO，-Fe2O3，ZrO2等。表面吸附气体分子后，电导率将随半导体类型和气体分子种类而变化。 半导体陶瓷气体传感器灵敏度高、体积小、结构简单。目前可检测的气体有：碳氢系气体、H2、C2H5OH、CO、O2、卤素气体、SO2、NO、NH3、SiH4和烟雾等。,3.2.4 光学敏感陶瓷材料,半导体陶瓷受到光的照射后，由于能带间的跃迁和能带-能级间的跃迁而引起光的吸收现象，在能带内产生自由载流子，而使电导率增加。利用这种光电导效应可制出检测光强度的光敏元件。 光敏材料主要用于光电二极管、光电池、光敏电阻器、红外通信、火箭卫星轨迹探测、导弹的制导定向与跟踪以及红外照相与侦察等。,3.2.5 压力敏感陶瓷材料,利用陶瓷的压电效应，可制成压力传感器。当压电陶瓷元 件在某一方向上感受应力时，在相应的电极接头处，产生与 这些应力成比例的开路电压。可见，根据压电陶瓷的这种力 敏特性，可将机
