第九章 敏感电子材料PPT.ppt

1 第9章 敏感电子材料 人类感觉器官→传感器 传感器 能感知规定的被测量，并按照一定的规律将之转换成输出 信号的装置，由敏感元件和转换元件组成。 对传感器用敏感电子材料的基本要求 具有较高的敏感性。 具有良好的选择性和快速响应性。 具有良好的耐环境稳定性。 今后的主要发展趋势 把信息的载体由电转变为光，实现电→光和光→电的相互转换，其中一个重要方向是用半导体材料制作集成光电器件，实现高灵敏和高选择相结合。 2 9.1.1 主要的敏感材料 按照材料的物理、化学特性和结构特征．敏感材料可分为半导体、陶瓷、金属氧化物、有机聚合物、金属和复合材料等； 按其功能，可分为力敏材料、热敏材料、声敏材料、光敏材料、气敏材料、湿敏材料、磁敏材料、电化学敏材料、电压敏材料等；在生命科学、生物工程技术领域中应用的，称为生物敏感材料。 9.1 敏感材料的分类 3 9.2 力敏材料 力敏材料用于力学量传感器，主要用来测量力、加速度、扭矩、压力、流量等物理量。 力学量传感器的种类繁多，应用较为普遍的有电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。 9.2.1 金属应变片材料 电阻应变效应: 金属材料的电阻值随其形变(伸长或缩短)而发生改变的现象。 电阻值的相对变化量(△R／R)在一定范围内，与材料的灵敏度系数K成正比; K的定义式 ε为材料的轴向应变量 4 (1) 微分后， (2) ， 和 (2),μ为材料的泊松比)代入得到 材料的灵敏度系数K受两个因素影响；一是材料的应变；一是材料电阻率的变化。对金属材料而言，前一项项是主要的；对力敏半导体材料，以后一项为主。 过渡层对传感器的灵敏度和可靠性影响极大； 金属(合金)应变计大都采用箔式应变片。 5 9.2.2 半导体力敏材料 作为半导体力敏材料使用的主要是单晶硅； 压阻效应:当外力作用在单晶硅上时，硅单晶体的电阻率生显著变化。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之间的关系： 半导体比金属材料的灵敏度系数大50倍左右。 单晶硅的压阻系数是各向异性的，因此在制作力敏传感器时，为了使灵敏度尽可能地高，应使扩散电阻的方向与压阻系数大的晶向一致。 8 9.3 热(温)敏材科 9.3.1 热电偶材料 工业测量上常用的热电偶材料： 一般金属材料，如铜-康铜、镍镑-镍硅等。 贵金属材料，如铂铑10-铂、铱铑60—铱等， 难熔金届材料，如钨铼3-钨铼25等 9 9.3.2 氧化物半导体热敏电阻材料 1. 负温度系数(NTC)热敏材料 负温度系数材料:通常将电阻率随温度升高而下降的材料； NTC热敏电阻大都是用Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工艺制备而成； 按使用温区大致分为低温(一60～300℃ ) 、中温(300 ～600℃ ) 及高温( ＞600 ℃ ) 三种类型； NTC热敏材料的导电机理 NTC半导瓷一般均为尖晶石结构．其通式为AB2O4。 正尖晶石结构→绝缘体，反尖晶石结构或部分反尖晶石结构→半导体 电子过程 引入Co、Cu、Fe等变价离子F ， Mn2++F3+ → Mn3++F2+ 或Mn 4++F2+ → Mn3++F3+ 引入非变价离子，Mn4++Mn3+ → Mn3++Mn4+ 10 NTC材料满足 其中 B为材料特性常数 普通NTC热敏电阻材料 早期为Cu-Mn或Cu-Co、Cu-Ni等二元系统，后来出现了三元系(Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、Mn-Co-Fe等）和四元系（ Mn-Co-Cu-Fe等） 中、高温NTC热敏电阻材料 使用温度在300℃以上的热敏电阻 可供选择的材料：碱土金属系尖晶石结构、钙铁矿型结构的氧化物以及稀土金属氧化物。 低温NTC热敏电阻材料 工作温度在一60℃以下的材料； 这类材料要求稳定性灯、抗磁场、抗带电粒子辐射等 通常使用掺La、Nb、Nd、Pd等的Mn-Ni-Cu-Fe、Mn-Cu-Co、Mn-Ni-Cu等系列材料，其工作温度最低可达4K。Ge、Si等单晶材料也可是常用的低温热敏材料。 11 2．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。 3．正温度系数(PTC)热敏电阻材料 电阻值随温度升高而增大的材料。 应用最普