信息获取材料—传感器

信息获取材料—传感器

传感器是重要的信息获取材料。传感器的作用相当于人的各种感觉器官，它利用材料所具有的不同的物理、化学和生物效应制成对光、声、磁、电、力、温度、湿度、气体等敏感的器件，它既是信息获取、感知和转换所必需的元件，也是自动控制、遥感技术的关键。它对材料的要求近乎苛刻，必须具有高敏感性、高选择性、工作温度低、稳定性好等特性。敏感材料的种类很多，可分为半导体、陶瓷、有机膜及金属间充化合物等。根据用途的不同可分为光敏、声敏、磁敏、电敏、热敏、湿敏、气敏、力敏传感器等。

光敏传感器指对紫外到红外的光敏感，并将光能量转换成电信号的器件。当光照到两端接上电源的半导体材料时，这些材料（又称光电晶体）将吸收光能而产生电子一空穴对，电子向正极，空穴向负极移动，从而产生光电流。通常，随着入射光的增强，半导体的电阻减小，光电流增大，这种光电流信号可引出进行测量。这就是光敏传感器的工作原理。在光电晶体中，硫化镉对可见光敏感，砷化镓和锗对红外光敏感，而硫化锌对紫外光敏感。因此，根据所需感知的光的波长，可以选用不同的材料来制成光敏传感器。由光敏电阻器制成的光敏传感器在日常生活中应用日趋广泛。例如，能白天自动关灯，晚上自动开灯的路灯控制器、施工警灯；也可制成报警器、防盗器等。

声敏传感器是声波振动所产生的压力在压电导体中与自由载流子（电子或空穴对）相互作用，从而产生压电效应的器件。大部分声敏传感器采用硫化镉、氧化锌等制成。目前也常用压电陶瓷（如锆钛酸铅陶瓷，统称PZT）、压电晶体（石英等）以及新发展起来的压电高聚物（聚偏二氯乙烯等）来感知声的振动。

磁敏传感器是根据半导体的磁电阻率随磁场强度的增强而加大的特性制成的器件。常用材料是在锑化铟中加1%镍而得到的锑化铟与锑化镍的共晶，以及砷化铟等材料。

电敏传感器是利用一种伏安特性为非线性的电阻元件制成的器件。当这种传感器的两端施加的电压增加到某一特定值时，其电阻值就会急剧变小。碳化硅金属氧化物、钛酸钡、硒化镉等材料都具有这种特性。

热敏传感器是利用电阻值对温度极为敏感的电阻元件而制成的器件。例如，用钛酸钡半导体陶瓷加微量稀土元素可制成正温度系数热敏半导体；用多晶金属氧化物半导体或硅、锗、玻璃等半导体材料可制成负温度系数热敏半导体。这种传感器应用广泛，涉及从温度测量（超低温至高温）、温度控制、火灾报警、气象探空、过荷保护一直到空间技术、火箭导弹等军事技术。

湿敏传感器是由感湿层、基片以及感湿层上的两个电极组成的。当吸湿程度变化时会导致电阻率的改变。感湿层以氧化物性能最佳。例如，碱金属氧化物加五氧化二钒加硅粉、三氧化二铬、氧化锡及氧化锑等。

气敏传感器一般是利用半导体表面吸收某种气体分子后发生氧化或还原反应，引起导电性能变化而制成的器件。采用三氧化二铟、氧化锌、二氧化锡、二氧化钛、五氧化二矾等的N型半导体，遇还原性气体时电阻减小，可检出氢、一氧化碳、甲烷等气体；采用氧化亚镍、三氧化二铬、氯化亚铜等的P型气敏半导体，遇氧化性气体时电阻减小，可检出氧、氯、二氧化氮等气体。例如，煤气泄漏及取暖器不完全燃烧时会释放出危险的一氧化碳气体，用二氧化锡、催化剂钯和金电极制成的薄膜型气敏传感器，其厚度仅0.6毫米左右，在室温至100 C时对一氧化碳气体极为敏感。

力敏传感器是根据材料电阻率随外加应力变化而改变的原理制作的器件。压电陶瓷、石英晶体、硅、硒锑合金等都是具有将压力（机械能）转变为电能的功能。利用力敏传感器可测量受力时材料内部的应力分布情况，也可用来测量人体血压、脑压及心音，还可用作地震探头来预报地震等。

专家们认为，在传感器敏感材料的开发中最有发展前途的是陶瓷材料。因为它稳定可靠，

价格低廉，资源丰富。尤其是本世纪中精细陶瓷（又称先进陶瓷或高性能陶瓷）的出现，实现了陶瓷发展的新飞跃。精细陶瓷产品不仅可以是传统的烧结体，也可以做成单晶、纤维、薄膜和粉末，具有强度高、耐高温、耐腐蚀，并可有声、电、光、热、磁等多方面的特殊功能，是新一代的特种陶瓷。信息传递介质---光导纤维就是这种精细陶瓷的典型代表。例如，钢铁冶炼中，若要测定钢水中氧的含量时，非陶瓷传感器莫属。陶瓷的显微结构是由晶粒、晶界和气孔所组成的。综合利用这些结构特点，有可能制成多功能传感器。例如松下材料研究所研制的钛酸钡—钛酸锶热敏—湿敏传感器，大阪大学滨川试验室研制的钛酸铅薄膜硅独石超声多功能传感器等。