第3章传感器敏感材料及器件3134.ppt

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 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。 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。 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。 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：①利用晶体本身性质的NTC热敏电阻、高温热敏电阻和氧气传感器；②利用晶界性质的PTC热敏电阻、半导体电容器；③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：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③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： 3.2.2 湿度敏感陶瓷材料 湿度