新型敏感材料
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❖ 逆压电效应：对晶体施加交变电场引起晶体机械变 形的现象。 用逆压电效应制 造的变送器可用于电 声和超声工程。
❖ 压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、 电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频 器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电 光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。
2.2.3半导体陶瓷
❖ 半导体陶瓷是指具有半导体电子特性的陶瓷材料。 半导体的导电性受温度、电场、光照和湿度等外界 条件影响会发生变化，利用这种变化可以制作各类 敏感元件，所以半导体陶瓷又称作敏感陶瓷。
❖ 半导体陶瓷主要包括热敏陶瓷、压敏陶瓷、气敏陶 瓷和光敏陶瓷等。
❖ 热敏陶瓷（热敏电阻为 主）
正温度系数热敏电阻 （PTC）
700
3.2
3.5
3.3
20
2470
497
4.9
3.3
6.4
Al2O3 铁
15.4
2100
530
4
0.5
5.4
12.6
400
196
7.8
0.803
12
SiO2（光纤）
8.4
820
73
Si
7
850
190
钢（最大强度）
4.2
1500
210
不锈钢
2.1
660
200
Al
0.17
130
70
2.5
0.014
0.55
❖ 半导体的电子学特性
半导为体电电导导率率，基n本为公传式导：电子浓=度e（， nn pp）
µn为传导电子迁移率，p为空穴浓度，µp为空穴迁移率。 上式表明传导电子的浓度和迁移率之积与空穴的浓度和迁移率之积决 定了半导体电导率的大小，而影响载流子浓度和迁移率的主要因素是 掺杂和温度。半导体材料利用压电效应、磁电效应、热电效应和光电 效应等都能达到改变半导体电导率的效果，所以很适合作为新型敏感 材料来制作各种传感器。
新型敏感材料
L/O/G/O
主要内容
❖ 传感器概述
❖ 新型敏感材料
❖ 智能材料
1.1传感器的定义
❖ 传感器(Transducer/Sensor)的定义是：传感 器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换 电路组成。
❖ 敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分， 转换电路指传感器中能将敏感元件输出转换为适合 于传输和测量的电信号部分。
2.2.1电子陶瓷生产工艺
电子陶瓷块体材料的常规制作工艺主要包括备料、成 型、烧结工艺。根据实际应用需求，还可以采用热压 烧结工艺或填充烧结工艺制备无气孔的透明陶瓷或气 孔率很高的多孔陶瓷。新近发展起来的电子陶瓷薄膜 材料的制备工艺主要有射频磁控溅射、溶胶-凝胶法， 脉冲激光沉积、金属氧化物气相沉积等工艺。
❖ 工业自动化 ❖ 农业现代化 ❖ 军事工程 ❖ 航空航天 ❖ 机器人技术
1.4传统传感器的不足
❖ 灵敏度低，测量精度低 ❖ 测量范围小 ❖ 机械滞后 ❖ 温漂 ❖ 使用寿命 ❖ 成本
2 新型敏感材料
❖ 2.1半导体敏感材料
❖ 2.2电子陶瓷
❖ 2.3形状记忆材料
2.1半导体敏感材料
2.1.1单晶硅的物Байду номын сангаас特性
输入
敏感元件 转换电路
电源
输出
❖敏感材料是指对电、光、声、力、热、磁、气体 分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变 的功能材料。
1.2传感器的地位
信息技术的三大支柱
计算机技术 通信技术 传感器技术
作用
处理信息
作用
传输信息
作用
采集信息
1.3传感器的应用领域
❖ 资源探测 ❖ 海洋开发 ❖ 环境监测 ❖ 安全保卫 ❖ 医疗诊断 ❖ 家用电器
负温度系数热敏电阻 （NTC）
2.2.2压电陶瓷
大多数压电陶瓷是以BaTi03为代表的ABO3型钙钛 矿结构，是多晶体材料。烧结成型的压电陶瓷并不具 备压电性，必须经过人工极化处理后，才具备压电性， 成为压电敏感材料。
极化过程
❖ 正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时， 内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生 符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不 带电的状 态；当外力作用方向改变时，电荷的极 性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外 力 的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效 应制成的。
❖ 资源丰富、易于提高到极纯的纯度
❖ 较易生长出大直径无位错单晶
❖ 易于对进行可控n型和p型掺杂
❖ 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅 薄膜材料
❖ 易于进行腐蚀加工 ❖ 硅有相当好的力学性能 ❖ 硅表面上很容易制备高质量的介电层－SiO2 ❖ 硅本身是一种稳定的绿色材料
2.2电子陶瓷
利用电子陶瓷的物理效应可以实现机械能、电能、光 能与电能之间的能量转换。 电子陶瓷包括压电陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、压 敏陶瓷、光敏陶瓷等。 电子陶瓷有对压力、温度、光强变化和磁性敏感的性 能，而且具有耐磨蚀、硬度高、易成型、高温下性能 稳定和蕴含资源丰富的特点。
用碳化硅薄膜制作压敏元件，制成的高温压力传感器 可以在600°C以上的环境温度中工作，可用于测定航 空航天飞行器发动机的耐热腔体及表面部件的压力。
锗
由于Ge的禁带较窄，器 件稳定工作温度远不如硅 器件高，加之资源有限， 目前，Ge电子器件不到 总量的10%，主要转向 红外光学等方面。
硅材料的优点
❖ 单晶硅的机械性能
硅具有良好的机械性能与导热性能
硅与其他材料的机械性能
材料
钻石 SiC TiC
屈服强度 努普硬度 杨氏模量 质量密度 热导率
热膨胀系数
/(109N/m2) /(kg/mm2) /Gpa
/(g/cm3) /[W/(cm*K)] /10-6K-1
53
7000
1035
3.5
20
1
21
2480
多晶硅是单晶的聚合物，因其单晶取向不同，期排列 时无序的。 多晶硅一般采用低压化学气相沉积法（LPCVD） 如图所示，多晶硅的电阻温度系数较单晶硅低，并在 很大范围内变化。
电阻温度系数与掺杂原子浓度的关系
硅的化合物二氧化硅、碳化硅等
石英晶体（各向异性）是理想的压电材料，可用于制 作高精度传感器。
2.3
1.57
2.33
7.9
0.97
12
7.9
0.329
17.3
2.7
2.36
25
单晶硅作为微系统中最能被广泛使用的基底材料，它 的优点：
优良而稳定的力学性能
熔点约为铝的2倍，熔点高可以在高温环境下保持 尺寸稳定
热膨胀系数低，可以有效地减小温度误差
单晶硅纯度极高内耗小
2.1.2多晶硅及硅化合物
❖ 压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、 电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频 器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电 光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。
2.2.3半导体陶瓷
❖ 半导体陶瓷是指具有半导体电子特性的陶瓷材料。 半导体的导电性受温度、电场、光照和湿度等外界 条件影响会发生变化，利用这种变化可以制作各类 敏感元件，所以半导体陶瓷又称作敏感陶瓷。
❖ 半导体陶瓷主要包括热敏陶瓷、压敏陶瓷、气敏陶 瓷和光敏陶瓷等。
❖ 热敏陶瓷（热敏电阻为 主）
正温度系数热敏电阻 （PTC）
700
3.2
3.5
3.3
20
2470
497
4.9
3.3
6.4
Al2O3 铁
15.4
2100
530
4
0.5
5.4
12.6
400
196
7.8
0.803
12
SiO2（光纤）
8.4
820
73
Si
7
850
190
钢（最大强度）
4.2
1500
210
不锈钢
2.1
660
200
Al
0.17
130
70
2.5
0.014
0.55
❖ 半导体的电子学特性
半导为体电电导导率率，基n本为公传式导：电子浓=度e（， nn pp）
µn为传导电子迁移率，p为空穴浓度，µp为空穴迁移率。 上式表明传导电子的浓度和迁移率之积与空穴的浓度和迁移率之积决 定了半导体电导率的大小，而影响载流子浓度和迁移率的主要因素是 掺杂和温度。半导体材料利用压电效应、磁电效应、热电效应和光电 效应等都能达到改变半导体电导率的效果，所以很适合作为新型敏感 材料来制作各种传感器。
新型敏感材料
L/O/G/O
主要内容
❖ 传感器概述
❖ 新型敏感材料
❖ 智能材料
1.1传感器的定义
❖ 传感器(Transducer/Sensor)的定义是：传感 器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换 电路组成。
❖ 敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分， 转换电路指传感器中能将敏感元件输出转换为适合 于传输和测量的电信号部分。
2.2.1电子陶瓷生产工艺
电子陶瓷块体材料的常规制作工艺主要包括备料、成 型、烧结工艺。根据实际应用需求，还可以采用热压 烧结工艺或填充烧结工艺制备无气孔的透明陶瓷或气 孔率很高的多孔陶瓷。新近发展起来的电子陶瓷薄膜 材料的制备工艺主要有射频磁控溅射、溶胶-凝胶法， 脉冲激光沉积、金属氧化物气相沉积等工艺。
❖ 工业自动化 ❖ 农业现代化 ❖ 军事工程 ❖ 航空航天 ❖ 机器人技术
1.4传统传感器的不足
❖ 灵敏度低，测量精度低 ❖ 测量范围小 ❖ 机械滞后 ❖ 温漂 ❖ 使用寿命 ❖ 成本
2 新型敏感材料
❖ 2.1半导体敏感材料
❖ 2.2电子陶瓷
❖ 2.3形状记忆材料
2.1半导体敏感材料
2.1.1单晶硅的物Байду номын сангаас特性
输入
敏感元件 转换电路
电源
输出
❖敏感材料是指对电、光、声、力、热、磁、气体 分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变 的功能材料。
1.2传感器的地位
信息技术的三大支柱
计算机技术 通信技术 传感器技术
作用
处理信息
作用
传输信息
作用
采集信息
1.3传感器的应用领域
❖ 资源探测 ❖ 海洋开发 ❖ 环境监测 ❖ 安全保卫 ❖ 医疗诊断 ❖ 家用电器
负温度系数热敏电阻 （NTC）
2.2.2压电陶瓷
大多数压电陶瓷是以BaTi03为代表的ABO3型钙钛 矿结构，是多晶体材料。烧结成型的压电陶瓷并不具 备压电性，必须经过人工极化处理后，才具备压电性， 成为压电敏感材料。
极化过程
❖ 正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时， 内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生 符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不 带电的状 态；当外力作用方向改变时，电荷的极 性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外 力 的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效 应制成的。
❖ 资源丰富、易于提高到极纯的纯度
❖ 较易生长出大直径无位错单晶
❖ 易于对进行可控n型和p型掺杂
❖ 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅 薄膜材料
❖ 易于进行腐蚀加工 ❖ 硅有相当好的力学性能 ❖ 硅表面上很容易制备高质量的介电层－SiO2 ❖ 硅本身是一种稳定的绿色材料
2.2电子陶瓷
利用电子陶瓷的物理效应可以实现机械能、电能、光 能与电能之间的能量转换。 电子陶瓷包括压电陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、压 敏陶瓷、光敏陶瓷等。 电子陶瓷有对压力、温度、光强变化和磁性敏感的性 能，而且具有耐磨蚀、硬度高、易成型、高温下性能 稳定和蕴含资源丰富的特点。
用碳化硅薄膜制作压敏元件，制成的高温压力传感器 可以在600°C以上的环境温度中工作，可用于测定航 空航天飞行器发动机的耐热腔体及表面部件的压力。
锗
由于Ge的禁带较窄，器 件稳定工作温度远不如硅 器件高，加之资源有限， 目前，Ge电子器件不到 总量的10%，主要转向 红外光学等方面。
硅材料的优点
❖ 单晶硅的机械性能
硅具有良好的机械性能与导热性能
硅与其他材料的机械性能
材料
钻石 SiC TiC
屈服强度 努普硬度 杨氏模量 质量密度 热导率
热膨胀系数
/(109N/m2) /(kg/mm2) /Gpa
/(g/cm3) /[W/(cm*K)] /10-6K-1
53
7000
1035
3.5
20
1
21
2480
多晶硅是单晶的聚合物，因其单晶取向不同，期排列 时无序的。 多晶硅一般采用低压化学气相沉积法（LPCVD） 如图所示，多晶硅的电阻温度系数较单晶硅低，并在 很大范围内变化。
电阻温度系数与掺杂原子浓度的关系
硅的化合物二氧化硅、碳化硅等
石英晶体（各向异性）是理想的压电材料，可用于制 作高精度传感器。
2.3
1.57
2.33
7.9
0.97
12
7.9
0.329
17.3
2.7
2.36
25
单晶硅作为微系统中最能被广泛使用的基底材料，它 的优点：
优良而稳定的力学性能
熔点约为铝的2倍，熔点高可以在高温环境下保持 尺寸稳定
热膨胀系数低，可以有效地减小温度误差
单晶硅纯度极高内耗小
2.1.2多晶硅及硅化合物