传感器敏感材料发展动态报告

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传感器敏感材料发展动态报告

第一章：传感器概述及发展

一、传感器简介：

人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生活中他们的功能是远远不够的。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为“电五官”，工程上也将其称为“变换器”。

根据我国国标（GB7665—87），传感器的定义为：“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。”其实我们也可理解为：“传感器是一种以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。”这一定义所表示的传感器的主要内涵如下：

1、传感器是测量装置，能完成检测任务。从其输入端来看，一个指定的传感器

只能感受规定的被测量，及传感器对对定的物理量具有最大的灵敏度和最好

的选择型。

2、从传感器的输出端来看，它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能

是化学量、生物量等

3、传感器的输出量是某种物理量。这种量便于传输、转换、处理、显示等等。

这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。

4、从输入和输出关系看，它们之间具有对应关系，且具有一定的精确程度。可

以用确定的数学模型来描述，也就是具有确定规律的静态特性和动态特性。传感器一般由敏感元件、变换元件、信号调理电路三部分组成，有时还需外加辅助电源提供转换能量。其基本功能是检测信号和信号转换。

传感器的组成框图如下：

有些传感器的不需要转换元件（如压电式加速度传感器）而有的传感器转换元件不止一个，要经过若干次转换。

二、传感器的分类：

传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，种类十分繁多想要很好地掌握它、应用它，需要一个科学的分类方法：

1、按传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。

2、按信号变换特征可分为：结构型、物性型。结构型主要是通过传感器结构参量的变化

实现信号变换的；物性型是利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。

3、按能量关系分类：能量转换型、能量控制型。能量转换型是传感器直接有被测对象输

入能量使其工作；能量控制型则是传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。

4、按物理原理分类：电参量式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、气电式传感器、

光电式传感器、热电式传感器、波式传感器、射线式传感器、半导体式传感器及其它原理的传感器。有些传感器的工作原理具有两种以上的原理复合形式。

5、按照传感器的用途也可分为：位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等

等。

6、除了以上分类还可根据输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感

器。还可根据转换过程是否可逆，可分为双向传感器和单向传感器等。

各种传感器由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但有一些要求却基本上是相同的：1、可靠性，2、静态精度，3、动态性能，4、量程，5抗干扰能力，6、通用性，7、轮廓尺度，8、成本，9、能耗，10、对被测对象的影响等。

三、传感器的发展：

传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。其应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。世界上传感器品种达到3万余种，美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发的关键技术之一。当今世界传感、通信、计算机技术构成现代信息的三大基础，80年代是个人计算机，90年代是计算机网络，预计21世纪第一个10年热点很可能是传感、执行与

检测。传感器的作用主要是获取信息、是信息技术的源头。在信息时代里，随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加。需要获取的信息量越来越多，不仅对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高，还要求传感器有标准输出形式以便和系统联接。显然传统的传感器因其功能差，体积大很难满足要求。发展高性能的、以硅材料为主的各种先进传感器已成为必然。如谐振式、电容式、光电式和场效应化学传感器等。尽管它们的敏感机理不同，但其总的共同特点是向微型化、智能化方向发展。近年来，微电子、微机械、新材料、新工艺的发展与计算机、通信技术的结合创造出新一代的传感器与检测系统。而传感器的发展主要是微传感器和智能化传感器的发展。

传感器的发展动向主要包括以下几点：

1、提高微传感器的性能。改善和提高微传感器的性能是今后的主要努力方向之一。

2、微传感器的集成。硅微传感器和微电子系统以及微执行器很可能全部制造在一个芯片上形成单片集成，构成一个闭环系统。

3、阵列化。利用同类传感器阵列，可使原本用单一传感器测量的不可靠的功能装置成为可靠的功能装置。不同类型的微传感器组成阵列，可获得一个功能优良的控制单元，如在发动机中，可把气体压力、温度和湿度传感器制成一个阵列单元，用以控制并得到理想的空气流和空气／燃油比，以实现最佳的燃烧过程。

4、分布式单元和智能结构具有预期的、自我监测功能的构件称为智能结构(或材料)。如把MEMS(微机械电子系统)；阵列单元(微传感器，微执行器+专业集成电路)嵌人飞机机

冀中，便可连续地对机翼振动、应力和结构完好性等多种状态实施监测和处理

第二章：传感器敏感材料概况及发展：

一、传感器敏感材料介绍：

传感器在现代科学技术中的应用越来越广泛，用来制造传感器的敏感材料的研究与应用开发也越来越被人们所重视。传感器敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

二、传感器敏感材料分类及运用：

传感器敏感材料种类很多，按材料分类可分为金属功能材料、半导体材料、陶瓷功能材料、高分子功能材料和复合功能材料等。

1、|金属功能材料：

人们利用金属功能材料具有传导信息、储存或记录、转化或变换能量的特性，设计制造了多种传感器。量大面广的有磁性材料、弹性材料、热电偶材料、热敏电阻材料、应变电阻合金、形状记忆合金等。在传感器技术中，近年来由磁体构成的传感器发展很快。在各种马达旋转编码器、防盗保密传感器、座标传感器等方面，正在由光电式、微波电磁式向磁体式转移。以磁头为代表的磁场传感器(磁强计)、电流传感器等正在向非晶态磁传感方向发展。非晶态磁传感器具有高灵敏度、高稳定性和可靠性以及微型轻量化特点。磁阻薄膜(FeNi、NICo)制成的各种传感器已广泛应用于角度、位移、磁场等检测。金属磁粉用于磁记录及磁卡上的研究在我国也有新的发展。热敏铁氧体和热敏磁性液体制成磁性温度传感器已在家用电器、汽车、复印机等机电产品中广泛应用.高磁能积的稀土永磁和NdFeB永磁及其粘结永磁的迅猛发展，为永磁材料传感器的小型、集成化提供了条件。化工、石油、冶金、原子能等工业的发展，对耐腐蚀的弹性敏感元件提出了苛刻要求。非晶态合金、高纯不锈钢的问世以及表面镀层、离子注人、离子镀掺和激光处理等表面技术在耐蚀合金中的应用，开辟了耐蚀弹性合金的新篇章。

2、半导体材料

半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、磁、各种气体及压力等外界因素具有敏感特性，是制造磁敏、热敏、光敏、力敏、气敏、离子敏等传感器件的主要材料。近20年来，人们为了得到某种敏感器件而制备出具有相应功能的新型半导体材料，如DI一V 族和n一砚族等化合物半导体材料;利用超晶格结构材料的制备技术研制出禁带宽度可控的新功能材料等。在精细加工技术方面，随着分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)和化学束外延(CBE)等先进技术和设备不断完善，促进了半导体超薄膜层微结构材料的迅速发展，不仅推动了半导体材料科学和半导体物理学的进步，而且以全新的设计思想，使微电子和光电子器件的设计从传统的“杂质工程”发展到“能带工程”，出现了以“电子特性和光学特性的剪裁”为特点的新发展趋势，是半导体科学的一次重大突破。超薄层微结构材料主要是指异质结构、超晶格量子阱等。

3、敏感陶瓷材料

敏感陶瓷的种类很多，应用亦广泛。按其特性，一般包括热敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、气敏陶瓷和光敏陶瓷等。最近几年，人们为改善陶瓷传感器的性能，深人研究制备敏感陶瓷的新工艺，探讨不同添加剂对敏感陶瓷的影响。此外，陶瓷智能性结构材料，既具有传感功能，又有像介电元件那样的执行功能。还有用某些陶瓷制造出具有感知、执行(转换)和初步的信息处理功能的电子器件。

4、高分子功能材料：

与比较成熟的金属功能材料、半导体材料和敏感陶瓷材料相比，高分子功能材料属后