重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第三章--敏感元件

第三章 敏感元件

作用：把物理量转换为电量，是传感器中的主要元件。 必备两个基本功能：

①敏感被测量（物理量、化学量）②对应产生输出量（电量）。

§3-1 变换力和压力的弹性敏感元件

一、弹性敏感元件的作用

非电量—→弹性元件—→应变量—→换能元件—→电量 弹性元件两种类型：

①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏感元件。 二、弹性特性：

作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。 1．刚度：弹性元件受外力作用下变形大小的量度。

dx dF

k =

F —作用外力 x —变形

弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点处的刚度。

dx dF tg k =

=θ

2．灵敏度：单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。

dF dx K =

并联时，系统的灵敏度：∑==

n

i i K K 111

灵敏度低，刚度大

串联时，系统的灵敏度：

1

n i

i K K ==∑ 灵敏度高，刚度小 三、弹性滞后和弹性后效

1．弹性滞后——弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合现象。

滞后误差：弹性变形之差，直接产生测量误差。 2．弹性后效——当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。

使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变，造成测量误差，尤其在动态测量中影响较大。 4．固有振动频率：——由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。

决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望0f （或0ω）高。

因

e

m k =

0ω

e

m k f π

210=

， k — 弹簧刚度，m e — 等效振动质量

所以 提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率

0ω、0f ↓。

k K 1=

Θ

提高0ω、0f

↑，灵敏度K 会降低，需综合考虑。 5．固有频率f 0与弹性元件的变形dx 以及材料性能的关系

ρ⋅⋅=l S m ， S —截面积，l —长度，ρ—密度

弹性元件相对变形：E l dx σδ== ，式中 E —弹性摸数，σ—应力，∴dx

l E ⋅=σ

()

2

02

1

1

1/1

1

222221122S

E

dx dx k dF dx dx dx l f m Sl Sl l l dx E E dx σσσσπ

πρπρπ

ρπ

ρ

σσπ

πρ

ρ⋅⋅======

=

最后可得：

ρπσ

⋅=

⋅E dx f 20

可知弹性元件dx

f ⋅0的乘积对于特定材料是有一个极限值的，σ达到许用应力时， dx 大，f 0就只能小，反之亦然。

6．弹性敏感元件的形式及其应用范围。

力、压力——→弹性敏感元件——→

输入

输出 应变—各种应变传感器

位移—电感式、电容式、电阻式等传感器

（1）力变换弹性元件：

轴状元件：优点：工艺性好；

缺点：位移量小，灵敏度受限，

l E l

f 29.00=

空心圆筒：优点：灵敏度高。 圆环：

优点：灵敏度高，输出位移大，测量力小；缺点：工艺性差，应力不等，尺寸小。 悬臂梁：优点：灵敏度高，输出位移大，

l E l h f 2

0162.0=

，

变截面梁：

l E l h f x

20316.0=

（2）压力变换弹性元件

弹簧管：高压测量； 薄壁圆筒：均匀应力，热惯

性小。

（3）力或应力变换弹性元件：

平面膜片：适于大量程

l E r h f 2

0492.0=

波纹膜片：适于小量程，灵敏度高。

波纹管： 灵敏度最高（相当于串联系统）

§3-2 常用敏感元

敏感元件

转换输出变量

工作原理

压磁效应：

①材料受压力时，作用力方向磁导率μ减小，作用力垂直方向，μ略有增大。受拉力时，效果相反；②作用力取消后，磁导率复原。

压电效应：

某些电介后物质在一定方向上受外力作用，内部产生极化现象，表面产生电荷，外力去掉重回到不带电状态。机械能—→电能。

热电效应（塞见克效应）：

两种不同导体组成闭合回路，如两接点温度不同，回路中会产生电动势，有电流流过。光电导效应：

光照射到大多数高电阻率半导体材料，电子吸收光能过渡到自由状态，引起该材料电阻率下降而易于导电的现象。如光敏电阻。

光生伏特效应：

在光照射下，结面产生光生电动势。光电池、光电二极管、光电三极管。

§3-3传感器敏感材料

一．半导体敏感材料

半导体材料按化学组成可分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体等。

半导体内载流子浓度可在很宽范围内变化。根据这种变化能控制其电阻阻值，这是半导体的最大特征。外部对半导体的作用能改变半导体内电子的运动状态和数目，故外部作用的

大小可转换成电信号。半导体的这种电子特征，就是半导体敏感元件的特征基础。

1．元素半导体

（1）．单晶硅

目前的固态传感器大部分是用单晶硅材料制造，因为单晶硅具有优良的机械、物理特性，材质纯，内耗低，功耗小。单晶硅的机械品质因数很高，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好。

单晶硅又是半导体材料，具有优良的电学性质．其压阻效应取决于晶向。

单晶硅的应变灵敏系数比金属的高1—2个数量级。

单晶硅传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容性。硅传感器与调理电路单片集成可实现微型化、低功耗，并有利于提高传感器的一致性、可靠性和快响应。

（2）．多晶硅

多晶硅是许多单晶（晶粒）的聚合物，这些晶粒的排列是无序的。不同晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内都具有单晶的特征。

晶粒大小对压阻效应也有一定形响，晶粒越大，压阻效应越大，即应变灵敏系数越大（单晶情况下为最大）。

多晶硅压阻膜与单晶硅压阻膜相比，其优点是可在不同衬底材料上制作。如金属材料衬底，而制备过程与常规半导体工艺相容，且无PN结隔离问题，因而有良好的温度稳定性。多晶硅压阻膜的应变灵敏系数虽比单晶硅膜低．但仍比金属高一个数量级。用多晶硅压阻膜可有效抑制传感器的温漂，是制造低温漂传感器的好材料。

2．化合物半导体

大多数化合物半导体具有类似于单元素半导体的结构特点和电特性．其优点是具有较宽的禁带范围和迁移率。

CaAs（砷化镓）、InP(磷化铟）、GaP（磷化镓）应用很广，是微波、光电器件的主要材料；InSb、InAs的禁带窄，电子迁移率高，主要用于制造红外器件及霍耳器件。利用金属氧化物的半导体性质可作为温度、湿度或气体敏感元件材料。

3．非晶半导体

非晶半导体有容易薄膜化、对可见光的光吸收系数大、禁带宽区可控制的特点，可作为光敏元件材料。同时，由于淀积温应低，可使用多种材料作衬底，并可大面积淀积，适用于制造薄膜式传感器，用以感受压力分布和识别形状。

具有种种特异现象（光诱导晶化和结构变化、光掺杂、开关、存储），已开发应用于开关器件、大阳能电池及光电导器件。

4．硅蓝宝石

硅蓝宝石材料是在蓝宝石衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。由于衬底是绝缘体，可以实现元件间的分离，且寄生电容小，可工作在较高的温度下（300℃）。蓝宝石的机械