傳感器用薄膜材料與技術

1、傳感器用薄膜材料與技術 孟祥龍傳感器的種類和材料o 接受外部刺激（信號），如光，電，磁，熱，壓力，濕度，環(huán)境氣氛等，并能在體系內變換為可處理信號的器件。o 傳感器材料傳感器分類工業(yè)用傳感器o 生產系統(tǒng)，生產過程節(jié)省能源與資源前提下，達到更高的技術水平，高效率，低成本。o 反應靈敏，動作快捷外，尤其注重可靠性！需要做到：o 大規(guī)模，復合化生產系統(tǒng)o 作業(yè)環(huán)境的整體可控性o 超微細加工過程控制o 工藝條件向極端環(huán)境領域的擴展以及與之相關的監(jiān)測與控制o 適應環(huán)境與資源變化，確立廣闊領域要求的監(jiān)視系統(tǒng)o 制作并采用高度智能化的機器人等生物醫(yī)學用傳感器o 醫(yī)療傳感器o 生物傳感器酶傳感器，微生物傳感器，

2、生物反應傳感器，免疫傳感器等p 生物傳感器中的關鍵元件是生物敏感膜，即載有迅速識別被測物質并與之發(fā)生化學反應的活性物質膜層。生物敏感膜并不是真正的細胞膜，它是采用固定化技術制作的人工膜。生物敏感器的敏感程度及性質優(yōu)劣，直接影響著生物傳感器的功能和質量。o 生物傳感器的作用原理：待測物質經擴散進入固定化生物敏感膜層，經分子識別發(fā)生生物學反應，產生了信息，進而被相應的化學或物理換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經二次儀表放大、輸出后，就可知道待測物質濃度。o 例如酶傳感器：利用酶的基質選擇性和選擇性的觸媒功能，以酵素（酶）膜及電極系統(tǒng)為基本構成要素。檢測系統(tǒng)大部分涉及溶液中的過程：檢測液中的酵

3、素膜與溶液中基質接觸，通過觸媒反應，造成反應物質的濃度變化，引起溶液中電極系統(tǒng)的電流變化或者電位變化，產生輸出信號。o 生物電子學傳感器生物分子與電子元件相融合的傳感器，如生物芯片。如在FET的柵極表面涂覆離子感應酵素膜，從而使其具備了酵素的分子識別功能小型化，多功能化，智能化生物傳感器優(yōu)點 o 測定范圍廣泛。根據(jù)生物反應的特異性和多樣性，理論上可制成測定所有生物物質的傳感器。o 測定過程簡單迅速。這類傳感器主要是在無試劑無件下操作（除了緩沖液之外）。因此，較傳統(tǒng)的生物學和化學分析法操作簡便、迅速、準確，且可重復使用。o 靈敏度高。由于生物敏感膜分子的高度特異性、靈敏性，故對一些含量極低的檢測

4、對象也能準確地反應出來。o 可連續(xù)進行分析，聯(lián)機操作。生物傳感器不足o抗干擾性。例如，不同酶的選擇有很大差異，由于生物材料的內在特征是無法改變的，故在這種情況下必須解決如何消除干擾的問題?？贵w的專一性可采用單無性抗體而得到增強。對專一性好的生物敏感材料可選用普適能量轉換器與之匹配。o生物傳感器的工作條件是比較苛刻的。首先，生物敏感物質只有在最佳的pH范圍才有最大的活性，因此換能器的特性必須與之匹配。其次，除了少數(shù)酶能短時間承受高于100高溫外，絕大多數(shù)生物敏感物質的工作條件局限于15-40的狹窄溫度范圍內。另外，許多生物敏感物質只能在短期內保持活性，為了延長生物傳感器的壽命，往往需要特殊的條件

5、，例如在溫度為4的條件下貯存。o生物傳感器的響應時間比單獨的換能器響應時間要長得多 傳感器與舒適材料薄膜傳感器應用舉例o 氣敏傳感器半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時， 產生的電導率等物理性質變化來檢測氣體的。按照半導體與氣體相互作用時產生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內部，可分為表面控制型和體控制型，前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，結果使半導體的電導率等物理性質發(fā)生變化，但內部化學組成不變；后者半導體與氣體的反應，使半導體內部組成發(fā)生變化，而使電導率變化。按照半導體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻

6、值變化來檢測氣體的成分或濃度； 非電阻型半導體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。表11-1為半導體氣敏元件的分類。氣敏傳感器分類 氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對傳感元件的材料會產生化學反應物，附著在元件表面，往往會使其性能變差。因此，對氣敏元件有下列要求：能長期穩(wěn)定工作，重復性好，響應速度快， 共存物質產生的影響小等。用半導體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門的易燃、 易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控

7、制。 p以SNO2氣敏元件為例，它是由0.1-10um的晶體集合而成，這種晶體是作為N型半導體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當遇到離解能較小且易于失去電子的可燃氣體時，電子從氣體分子向半導體遷移，半導體的載流子濃度增加，一次電導率增加。而對于P型半導體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當遇到可燃性氣體時其電導率則減小。 氣敏電阻的溫度特性如圖所示，圖中縱坐標為靈敏度，既由于電導率的變化所引起在負載上所得到的值號電壓。由曲線可以看出，SNO2在室溫下雖然能吸附氣體，但其電導率變化不大。當溫度增加后，電導率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時需要加溫。薄膜型SnO2器件是在絕緣襯

8、底上采用蒸發(fā)、濺射或化學氣相淀積等方法制作SnO2敏感膜的。具有很高的靈敏度和響應速度。敏感體的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及與集成電路制造技術兼容。o 在ZnO 中摻雜Pt、TiO2 等物質可以獲得很高的乙醇氣體檢測靈敏度和很好的選擇性。對ZnO 薄膜進行TiO2 摻雜，制得的氣敏傳感器對乙醇氣體靈敏度高、選擇性好，且響應、恢復時間也比較短。 o 使用最多的金屬氧化物半導體是二氧化錫。費加羅公司已用它制造出20多種傳統(tǒng)結構的氣敏傳感器。其次是二氧化鈦、氧化鋅、氧化鎢和氧化銥等。為了提高氣敏傳感器的靈敏度和選擇性,在金屬氧化物中一般要有意識地摻入適量催化劑,如鈀、鉑或其它合適的金屬氧化

9、物,如氧化鎂、氧化銅等。用得較多的導電聚合物是聚吡咯、聚噻吩、聚吲哚、聚呋喃等。這類微結構氣敏傳感器十分適合于使用MEMS技術來制造濕敏傳感器o 涂覆膜型濕度敏感元件是把感濕粉料（金屬氧化物）調漿， 涂覆在已制好的梳狀電極或平行電極的滑石瓷、氧化鋁或玻璃等基板上制成的。四氧化三鐵、五氧化二釩及三氧化二鋁等濕敏元件均屬此類。其中比較典型且性能較好的是四氧化三鐵(Fe3O4)濕敏元件。o 涂覆膜型Fe3O4濕敏元件，一般采用滑石瓷作為元件的基片。 在基片上用絲網印刷工藝印刷梳狀金電極。將純凈的黑色Fe3O4膠粒， 用水調制成適當粘度的漿料，然后用筆涂或噴霧在已有金電極的基片上，經低溫烘干后，引出電

10、極即可使用。o Fe3O4濕敏元件是能在全濕度范圍內進行測量的元件， 并且具有一定的抗污染能力， 體積小。但主要的缺點是響應時間長，吸濕過程(60RH98RH)需要2 min，脫濕過程(98RH12RH)需57 min， 同時在工程應用中長期穩(wěn)定性不夠理想。濕敏電阻p 有機高分子膜濕敏電阻是在氧化鋁等陶瓷基板上設置梳狀型電極，然后在其表面涂以具有感濕性能，又有導電性能的高分子材料的薄膜，再涂復一層多孔質的高分子膜保護層。這種濕敏元件是利用水蒸汽附著于感濕薄膜上，電阻值與相對濕度相對應這一性質。由于使用了高分子材料，所以適用于高溫氣體中濕度的測量。0RH(%)R()201040601010801

11、00120103465圖2.5.5 高分子膜濕敏電阻的結構與特性三氧化二鐵-聚乙二醇高分子膜濕敏電阻的結構與特性。熱釋電型紅外線傳感器o 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路，如作電源開關控制、防盜防火報警、自動覽測等。 o HgCdTe紅外傳感器利用光伏效應，需要冷卻，電阻變化的熱敏電阻相比，熱釋電型紅外傳感器在靈敏度，響應時間，信噪比等方面優(yōu)勢明顯。廣泛用于非接觸式溫度計等。對熱釋電材料要求o 熱釋電系數(shù)（單位溫度變化引起表面電荷的變化）要大o 體積比熱要小o 相對介電常數(shù)要大o 介電損耗要小o 常用材料：PZT，PLT，LiTaO3等o 例如PLT的薄膜制備采用高頻磁控濺射，成膜和退火交替進行，采用間歇成膜操作。MgO基板上形成PLT薄膜，然后涂布聚酰亞胺，開導體連接用通孔，形成NiCr電極，再涂涂布聚酰亞胺