重慶大學(xué)生物醫(yī)學(xué)傳感器原理與應(yīng)用敏感元件

1、第三章 敏感元件作用：把物理量轉(zhuǎn)換為電量，是傳感器中的主要元件。必備兩個基本功能：敏感被測量（物理量、化學(xué)量）對應(yīng)產(chǎn)生輸出量（電量）。§3-1 變換力和壓力的彈性敏感元件一、彈性敏感元件的作用 非電量彈性元件應(yīng)變量換能元件電量彈性元件兩種類型：彈性敏感元件：感受力、壓力、力矩等變換為元件本身的應(yīng)變、位移等；彈性支承：起支承導(dǎo)向作用，不作為測量敏感元件。二、彈性特性：作用在彈性元件上的外力與其相應(yīng)變形間的關(guān)系。1剛度：彈性元件受外力作用下變形大小的量度。F作用外力x變形彈性特性曲線上某點切線水平線夾角的正切為該點處的剛度。 2靈敏度：單位力產(chǎn)生變形的大小，是剛度的倒數(shù)。 并聯(lián)時，系統(tǒng)的

2、靈敏度： 靈敏度低，剛度大串聯(lián)時，系統(tǒng)的靈敏度：靈敏度高，剛度小三、彈性滯后和彈性后效1彈性滯后彈性特性曲線的加載曲線與去載曲線不重合現(xiàn)象。滯后誤差：彈性變形之差，直接產(chǎn)生測量誤差。2彈性后效當(dāng)載荷改變后，在一定時間間隔逐漸完成變形的現(xiàn)象。使彈性敏感元件的變形始終不能迅速跟隨作用力的改變而改變，造成測量誤差，尤其在動態(tài)測量中影響較大。4固有振動頻率：由振動質(zhì)量和材料剛度綜合表征的彈性元件特征。 決定彈性元件的動態(tài)特性和變換被測參數(shù)的滯后作用，希望（或）高。因 ， k 彈簧剛度，me 等效振動質(zhì)量 所以 提高靈敏度K，會使線性變差，固有振動頻率、。 提高、，靈敏度K會降低，需綜合考慮。5固有頻率

3、f0與彈性元件的變形dx以及材料性能的關(guān)系，S截面積，l長度，密度彈性元件相對變形：，式中E彈性摸數(shù)，應(yīng)力，最后可得：可知彈性元件的乘積對于特定材料是有一個極限值的，達到許用應(yīng)力時，dx大，f0就只能小，反之亦然。6彈性敏感元件的形式及其應(yīng)用范圍。應(yīng)變各種應(yīng)變傳感器位移電感式、電容式、電阻式等傳感器輸出輸入 力、壓力彈性敏感元件 （1）力變換彈性元件：軸狀元件：優(yōu)點：工藝性好；缺點：位移量小，靈敏度受限，空心圓筒：優(yōu)點：靈敏度高。圓環(huán)：優(yōu)點：靈敏度高，輸出位移大，測量力?。蝗秉c：工藝性差，應(yīng)力不等，尺寸小。懸臂梁：優(yōu)點：靈敏度高，輸出位移大，變截面梁： （2）壓力變換彈性元件彈簧管：高壓測量；

4、 薄壁圓筒：均勻應(yīng)力，熱慣性小。 （3）力或應(yīng)力變換彈性元件：平面膜片：適于大量程 波紋膜片：適于小量程，靈敏度高。波紋管： 靈敏度最高（相當(dāng)于串聯(lián)系統(tǒng)）§3-2 常用敏感元件的形式及原理敏感元件轉(zhuǎn)換輸出變量工作原理電容敏感元件電容變量s、d、q變化電感敏感元件自感變量磁芯運動、外部感應(yīng)電阻敏感元件電阻變量溫度、力、位移 使電阻變化磁阻敏感元件交流電壓磁芯運動、外部激勵電磁敏感元件電動勢（電壓）線圈、磁芯相對運動，無外部激勵壓電敏感元件電荷Q、電壓E力、應(yīng)力使壓電晶體變形，壓電效應(yīng)電位差計敏感元件電壓比變量觸點位置變化電壓變化應(yīng)變片敏感元件電阻應(yīng)力變形阻值變化光導(dǎo)敏感元件電阻、電導(dǎo)光

5、電導(dǎo)效應(yīng)，光學(xué)量半導(dǎo)體材料電阻、電導(dǎo)變化光電敏感元件電壓光電效應(yīng)， 光學(xué)量不同材料結(jié)面電壓變化熱電敏感元件電動勢塞貝克效應(yīng)，結(jié)面溫差產(chǎn)生電動勢電離敏感元件離子流氣體電離壓磁效應(yīng)：材料受壓力時，作用力方向磁導(dǎo)率減小，作用力垂直方向，略有增大。受拉力時，效果相反；作用力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原。壓電效應(yīng)：某些電介后物質(zhì)在一定方向上受外力作用，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷，外力去掉重回到不帶電狀態(tài)。機械能電能。熱電效應(yīng)（塞見克效應(yīng)）：兩種不同導(dǎo)體組成閉合回路，如兩接點溫度不同，回路中會產(chǎn)生電動勢，有電流流過。光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射到大多數(shù)高電阻率半導(dǎo)體材料，電子吸收光能過渡到自由狀態(tài)，引起該材料電阻率下降而

6、易于導(dǎo)電的現(xiàn)象。如光敏電阻。光生伏特效應(yīng)：在光照射下，結(jié)面產(chǎn)生光生電動勢。光電池、光電二極管、光電三極管。 §3-3傳感器敏感材料一半導(dǎo)體敏感材料 半導(dǎo)體材料按化學(xué)組成可分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度可在很寬范圍內(nèi)變化。根據(jù)這種變化能控制其電阻阻值，這是半導(dǎo)體的最大特征。外部對半導(dǎo)體的作用能改變半導(dǎo)體內(nèi)電子的運動狀態(tài)和數(shù)目，故外部作用的大小可轉(zhuǎn)換成電信號。半導(dǎo)體的這種電子特征，就是半導(dǎo)體敏感元件的特征基礎(chǔ)。 1元素半導(dǎo)體（1）單晶硅目前的固態(tài)傳感器大部分是用單晶硅材料制造，因為單晶硅具有優(yōu)良的機械、物理特性，材質(zhì)純，內(nèi)耗低，功耗小。單晶硅的機械品質(zhì)因數(shù)

7、很高，滯后和蠕變極小，幾乎為零，機械穩(wěn)定性好。 單晶硅又是半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)其壓阻效應(yīng)取決于晶向。單晶硅的應(yīng)變靈敏系數(shù)比金屬的高12個數(shù)量級。 單晶硅傳感器的制造工藝與硅集成電路工藝有很好的兼容性。硅傳感器與調(diào)理電路單片集成可實現(xiàn)微型化、低功耗，并有利于提高傳感器的一致性、可靠性和快響應(yīng)。（2）多晶硅 多晶硅是許多單晶（晶粒）的聚合物，這些晶粒的排列是無序的。不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)都具有單晶的特征。晶粒大小對壓阻效應(yīng)也有一定形響，晶粒越大，壓阻效應(yīng)越大，即應(yīng)變靈敏系數(shù)越大（單晶情況下為最大）。多晶硅壓阻膜與單晶硅壓阻膜相比，其優(yōu)點是可在不同襯底材料上制作。如金屬材料

8、襯底，而制備過程與常規(guī)半導(dǎo)體工藝相容，且無PN結(jié)隔離問題，因而有良好的溫度穩(wěn)定性。多晶硅壓阻膜的應(yīng)變靈敏系數(shù)雖比單晶硅膜低但仍比金屬高一個數(shù)量級。用多晶硅壓阻膜可有效抑制傳感器的溫漂，是制造低溫漂傳感器的好材料。2化合物半導(dǎo)體大多數(shù)化合物半導(dǎo)體具有類似于單元素半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點和電特性其優(yōu)點是具有較寬的禁帶范圍和遷移率。CaAs（砷化鎵）、InP(磷化銦）、GaP（磷化鎵）應(yīng)用很廣，是微波、光電器件的主要材料；InSb、InAs的禁帶窄，電子遷移率高，主要用于制造紅外器件及霍耳器件。利用金屬氧化物的半導(dǎo)體性質(zhì)可作為溫度、濕度或氣體敏感元件材料。3非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體有容易薄膜化、對可見光的光吸收

9、系數(shù)大、禁帶寬區(qū)可控制的特點，可作為光敏元件材料。同時，由于淀積溫應(yīng)低，可使用多種材料作襯底，并可大面積淀積，適用于制造薄膜式傳感器，用以感受壓力分布和識別形狀。具有種種特異現(xiàn)象（光誘導(dǎo)晶化和結(jié)構(gòu)變化、光摻雜、開關(guān)、存儲），已開發(fā)應(yīng)用于開關(guān)器件、大陽能電池及光電導(dǎo)器件。 4硅藍寶石 硅藍寶石材料是在藍寶石襯底上應(yīng)用外延生長技術(shù)形成的硅薄膜。由于襯底是絕緣體，可以實現(xiàn)元件間的分離，且寄生電容小，可工作在較高的溫度下（300）。藍寶石的機械強度是體形硅的2倍多，蠕變極小，優(yōu)于單晶，且耐輻射，耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好。 二石英敏感材料 1石英晶體 石英晶體為各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性。 石

10、英晶體又具有壓電特性，即其彈性和電學(xué)性質(zhì)為相互耦合。其壓電矩陣僅有而個獨立的壓電系數(shù)d11、d14。 石英晶體又是絕緣體，在其表面淀積金屬電極引線，不會產(chǎn)生漏電現(xiàn)象。石英晶體和單晶硅一樣，具有優(yōu)良的機械物理性質(zhì)，材質(zhì)純、內(nèi)耗低、功耗小。三功能陶瓷材料1壓電陶瓷材料 壓電體的壓電效應(yīng)與其極化強度的變化有關(guān)。并非在任何力（或電場）作用下在任何方向都能產(chǎn)生壓電效應(yīng)，而只是在某些方向的力（或電場）作用下，沿某些特定方向才產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2熱釋電陶瓷材料 熱釋電材料包括單晶體、陶瓷材料、有機高分子材料及薄膜材料，其主要特點是隨溫度的變化會引起晶體自發(fā)極化的變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷。也就是說，熱釋電效應(yīng)是由于晶體中存在著自發(fā)極化所引起的。 利用熱釋電材料構(gòu)成的敏感元件，它能以物體輻射的紅外線作為熱源，從而進行非接觸檢測。這種紅外線熱敏元件的特點：（l）能非接觸、高靈