第1章传感器敏感材料

硅材料的质量轻,密度为不锈钢的1/3,而弯 曲强度为不锈钢得3.5倍,具有高强度比和 高密度比; 热导性为不锈钢底倍,而热膨胀系数不到 不锈钢的1/7; 制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼 容性 可实现微型化、低功耗，有利于传感器 的一致性、可靠性和快响应。
2. 多晶硅：是许多单晶的聚合物。晶 粒的排列是无序的，不同的晶粒有不 同的单晶取向，而每一晶粒内部具有 单晶的特征。 晶粒与晶粒之间的部位称为晶界，其 对压阻效应的影响可通过控制掺杂浓 度来降低。晶粒越大，压阻效应越大。
1.7 非晶态磁性合金
结构为长程无序，短程有序； 在旋转磁场中的各个方向的相对磁导率较高； 电阻率高，在交变磁场作用下，涡流损耗小，响 应快，高频特性好； 磁致伸缩效应大； 机械强度高，高达2000-3500MPa。 根据传感器的具体特性要求确定这类材料的组分 和形状。
1.8形状记忆合金 新的传感器材料，具有热弹性和超弹性； 过程：把某种记忆合金在高温下定形后， 若冷却到低温产生形变，只要温度稍微升 高就可以使形变迅速消失，并回到高温下 所具有的形状。 代表性材料有：NiTi ,CuZnAl,CuAlNi制其 中的组分比，经过精密的成型烧结， 可制成适合传感器需要的多种精密 陶瓷材料----功能陶瓷材料。 特点：耐热性，耐腐蚀性，多孔性， 光电性，压电性等独特的性能。 新开发陶瓷温度、气体、温度、光 电、离子、加速度、陀螺等传感器。
1.5 ZnO薄膜
4. 硅蓝宝石：是在蓝宝石衬底上应用 外延生长技术形成的硅薄膜。 衬底是绝缘体，可实现元件之间的分 离，且寄生电容小。 蠕变极小，优于单晶硅；耐辐射能力 强；化学稳定性好，耐腐蚀性强。 具有耐环境性强的优势。
1.2化合物半导体材料
先进的成象传感器材料。如碲镉汞、锑化 铟、砷化镓等。 开发长波段的应用。 无源探测的红外光敏技术，广泛应用。如 红外夜视、火控、跟踪定位、精确制导等
低温淀积的多晶硅膜经 过高温处理后晶粒明 显增大，有利提高压 阻效应。 多晶硅压阻膜具有良好 的温度稳定性，可有 效地抑制温漂，是制 造低温漂传感器的理 想材料。
3. 非晶体硅：在光电器件、传感器中 应用。 与晶体材料相比，非晶体硅具有： （1）在可见光范围内具有高的光吸 收系数。 （2）淀积温度低（200-300º C），可 用多种材料作衬底，感受大面积淀积。
作为压电体、光导体、光波导和半导 体的多用途材料； 六角晶结构，各向异性体，具有大的 压电常数，大的声光、电光和非线性 光学系数。 淀积ZnO膜技术最广泛的方法是磁控 溅射方法，可获得压电性能、光学性 能优良，表面平坦而透明的致密薄膜 层。
1.6 铁电聚合物
是指含有铁电晶体组 织的特殊高分子聚合 物，如聚氯乙烯、聚 偏二佛乙烯（PVF2)。 PVF2优良，具有压电、 热释电特性。 应用在电-声和机-电传 感器，如声频、超声 波等。
（3）材料性能稳定，具有较高的机械强度。 （4）具有高的塞贝克系数 （5）纯非晶硅没有压阻效应，利用微晶相 与非晶相混合可产生压阻效应，灵敏系数高。 （6）非晶硅的弹性模量和多晶硅一样，取 决于制备和热处理，一般为（150—170） ×103MPa。 可制成多种传感器，如光传感器，成象传感 器，高灵敏度温度传感器，微波功率传感器， 触觉传感器等。
1.3石英敏感材料
1. 石英晶体：晶态 SIO2, 形状为六角锥体， 构成Ｚ轴（光轴）， Ｘ轴（电轴），Ｙ轴 （机械轴）。
特点：各向异性，具有压电特性；绝 缘体；和单晶硅一样，具有优良的机 械物理性质。 工作温度为２００℃－２５０℃
2. 石英玻璃：非晶态SIO2，物理特 性与方向无关。 机械物理性能和化学性能极优。 在７００ ℃－８００ ℃以前，弹 性模量随温度的增高而增大，以后 随温度的升高而下降。 最高使用温度为1100 ℃。 适宜制造高精度传感器。
1.9
复合材料
原子合成法通过控制材料的特性可 以合成理想传感器材料; 晶体合成法:多层结构,材料的混合 在原子级上进行控制,合成的材料 也叫人造晶格或超晶格; 超晶格结构具有全新的材料特性; 超晶格结构可随意控制物理常数, 具有很大的发展前景。
思考题
1、为什么大部分传感器都趋向于用 硅材料制造？ 2、石英晶体与石英玻璃的异同点？
第1章 传感器敏感材料
1.1半导体硅材料
1.2化合物半导体材料
1.5 ZnO薄膜 1.6 铁电聚合物
1.7非晶态磁性合金
1.3石英敏感材料
1.4精密陶瓷材料
1.9
1.8形状记忆合金
复合材料
1.1半导体硅材料
传感器敏感材料有多种,如物理材料、化学材料和 生物材料等。 1. 单晶硅：固态传感器的材料，优点： 优良的机械、物理性质，材质纯，内耗低、功耗小。 机械品质因数高达106数量级，滞后和蠕变极小， 机械稳定性好。 各向异性，具有很好的热导性，应变灵敏系数高。