传感器技术应用论文

论文关键词：单晶材料多晶材料非晶材料非晶硅非晶磁性材料非晶传感器

论文摘要：摘要：对敏感功能材料研究开发所呈现的主要趋势之一就是从单晶材料向多晶材料和非晶材料方向过渡发展。由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料的限制性小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而受到多方面青睐。本文侧重介绍非晶材料的现状、基本特性及其在传感器中的应用与展望。

一、引言

最近，对敏感功能材料的研制开发所呈现的主要趋势之一就是从单晶材料向多晶材料和非晶材料的方向过渡发展。到目前为止，传感器中应用的敏感功能材料多为单晶材料，特别是物理类传感器更是如此。例如，光敏传感器一直就是用Si、GaAs 之类的单晶半导体。另一方面，气敏传感器主要由多晶材料或多孔陶瓷构成。陶瓷由粉末混合物经模压、烧结而形成。采用理想特性的原材料并对烧结工艺严加管制，便可制成一种精细陶瓷，使之应用于传感器，从而开辟了陶瓷拓宽应用的新天地。单晶传感器仅利用了晶体的体性能，而多晶传感器和陶瓷传感器则利用了多孔性和晶粒边界特性，从而开辟了拓宽应用于气敏传感器和热敏传感器的新途径。

非晶材料大致分为非晶磁性材料和非晶半导体材料。引人注目的非晶合金现已步入实用阶段，特别是近年来又在基础和应用方面作了深入研究，从而了解非晶金属在结晶状态所具有的独特物性，使之拓宽应用于传感器，颇具实用价值。

二、背景材料以及非晶材料的应用现状

随着人类认识的发展和技术的进步,从20 世纪50 年代涌现了若干新型非晶态材料,包括非晶合金、非晶半导体、非晶超导体、非晶离子导体和有机高分子玻璃等。其中非晶合金中原子的混乱排列情况类似于玻璃,故又称为金属玻璃。金属玻璃可由多种工艺制备，所有工艺都涉及将合金从液态或气态快速凝固，凝固过程非常快以致将原子的液体组态冻结下[1-3]。它们在热力学上处于亚稳状态,在晶化温度以上即可克服一定大小的能垒而转变成晶态。

研究表明,非晶态结构上与液体相似(见图1) ,原子排列是短程有序的;从总体上来说是长程无序的,宏观上可将其看作均匀、各向同性的。非晶态结构的另一个特点是热力学的不稳定性,存在向晶态转化的趋势,即原子趋于规则排列。为了进一步了解非晶态的结构,通常在理论上把非晶态材料中原子的排列情况模型化,其模型归纳起来可分为两大类。一类是不连续模型,如微晶模型、聚集团模型等;另一类是连续模型,如连续无规则网格模型、硬球无规密堆模型等。虽然所建立的种种模型[4]于描述非晶态材料的真实结构还不够精确。但在解释非晶态材料的某些特性如弹性、磁性上,还是取得了一定的成功。非晶态合金的长程无序、短短有序的特性导致非晶态金属有着良好的机械性能、优良的化学性能以及优异的软磁性能。

图1 气、液、晶态和非晶态双体分布函数[5 ]

1、非晶磁性材料

非晶磁性材料是杜韦斯(Duwes)1960 年用液体淬火法率先合成的，如今这种敏感功能材料已在传感器中得到日益广泛的应用，而且展望未来还可用于更大的发展。非晶磁性材料具有下列特性：

①缺乏晶体材料所具有的磁各向异性，导磁率高，损耗小。也就是说，旋转磁化容易，各向磁场灵敏度高，因此，可用来构成高灵敏度磁场计或磁通量传感器。现已相继开发出应力ˉ磁效应式高灵敏度应力传感器、磁致伸缩效应式机械传感器。

②具有高电阻率(比坡莫合金高几倍)，因此，即使是在高频范围内也能得到较小的涡流损耗和极好的磁特性，有效利用此特性便可开发研制出磁性晶体难以实现的快速响应传感器。

③不存在晶粒边界、位错等晶体材料固有的缺陷，因而机械强度高，抗化学性强。

④直到居里温度（近似为200~500K），其组合成分均可随意确定。因此，可望用于开发研制快速响应温度传感器。

2、非晶硅

非晶硅自1976 年由斯皮尔(Spear)通过控制手段对其掺杂以来，在光生伏打方面的应用是人所共知的。例如，内置非晶硅太阳电池的袖珍计算器现已普及化，比比皆是。非晶硅用作传感器敏感功能材料有很大潜力，主要表现在非晶硅具有一般晶体材料难以得到的特性：

①可见光范围内非晶硅的光吸收系数高；

②使微晶相与非晶相混合，可得到类晶体性能；

③淀积温度低（200℃～300℃），可随意选用基片材料，如可用有机膜；

④可淀积均匀性良好的大面积薄膜；

⑤淀积膜的长期稳定性和可靠性良好；

⑥可在曲面和平面上淀积薄膜；

⑦可应用光刻工艺；

⑧可用非晶材料制作有源和无源元件，可在多种基片材料上生长，可用来制作三维电路。

三、非晶材料的基本特征

非晶金属材料具有下述基本特性：

1、高透磁率

Co 基高透磁率非晶金属由Co、Si、Fe、B 主成分组成，添加Mn、Nb、Mo、Cr 等元素。图2所示为透磁率—频率特性，并与结晶材料作了比较。图示表明，非晶材料从低频到高频领域均为高的透磁率。为了得到高透磁率，须严密控制组合成分，使磁致伸缩常数大致为零，极力减小在制造过程中及热处理过程中容易发生的感应磁各向异性，如此便可获得高透磁率。再就非晶材料的实用性而言，至关重要的一点就是时效稳定性问题。非晶是亚稳定物质，因而当升温达结晶温度以上时就起结晶作用。因此，磁特性、机械特性便随之大幅度降低。这样即使在结晶温度以下的温度领域，磁特性也呈现缓慢变化现象。通过精心热处理，可望减小时效变化。但对使用温度环境下的时效稳定性，须抓住充分斟酌、精心设计这一重要环节。

图2 高透磁率Co基非晶金属的有效透磁率—频率特性

2、低铁耗、大仰角

组合成分为Co 基材料，与高透磁率为同一系统。由于转换电源用的饱和扼流圈等的B-H 曲线（磁化曲线）需用大仰角，因而通过热处理使磁心的磁路方向发生感应各向异性，如此便可获得低铁耗、大仰角的磁特性。

表1 低铁耗大仰角非晶金属的磁特性

注：*1.片厚20μm *2.片厚100μm

3、高饱和磁通密度

基本组合成分为Fe、Si、B，以提高耐蚀性、降低铁耗为目的，还可适量添加Cr、Ni、Nb 等元素。表3 列出高饱和磁通密度Fe 基非晶金属的磁特性，并与方向性硅钢板作了比较。铁耗要比硅钢小1/3~1/5。

4、高磁通密度

由于Fe 基非晶金属无结晶磁各向异性，透磁率大，而且磁致伸缩大，即使是弱磁场也能发生大的磁致伸缩，因而作为磁致伸缩材料的应用开发相当活跃。非晶材料的k 值显著大于结晶材料。可用作超声波元件而特别引人注目。

四、应用

由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料限制小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而作为敏感功能材料倍受青睐，现已日益广泛应用于各种传感器。图3所示为主要用例。