信息传感材料与器件conv

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1、2013/5/5Sunday1第四章信息传感材料与器件12013/5/5Sunday21.传感器与传感材料定义：传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。22013/5/5Sunday332013/5/5Sunday442013/5/5Sunday552013/5/5Sunday662013/5/5Sunday7信息传感材料指用于信息传感器和探测器的一类对外界信息敏感的材料，在外界信息如力学、热学、磁学、电学、化学和生物信息的影响下，这类材料的物理性质或化学性质会发生相应的变化。力敏传感材料热敏传感材料光敏传感材料磁敏传感材料气敏传感材料湿敏传感材料光纤传感

2、材料生物传感材料72013/5/5Sunday82.力敏传感材料力敏传感材料指在外力作用下，电学性质会发生明显变化的材料，分为应变电阻材料、压阻材料和压电材料。力敏传感器主要用于测量力、加速度、扭矩、压力、流量等物理量。2.1电阻应变材料电阻-应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象。当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加。反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小。电阻应变式传感器就是利用金属电阻应变片的电阻应变效应实现应力（应变）的传感的，金属应变片电阻值变化正比于应力大小。常用的金属应变片由金属丝式、箔式、薄膜式等。820

3、13/5/5Sunday92341电阻应变片结构示意图bl应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅宽92013/5/5Sunday10对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系

4、数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2）基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。102013/5/5Sunday11（3）引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4）粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘

5、贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。112013/5/5Sunday12铜镍合金（康铜）：灵敏系数稳定性、耐辐射性能好，低温性能较差。镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度较宽。铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好前三种最常用。这些合金的灵敏系数为

6、2～6金属电阻应变片材料栅长度一般为0.2～100毫米，直径0.015～0.05毫米的金属丝，厚度0.002～0.005毫米的金属箔。电阻为60～1000欧（最常用的为120欧），测量范围为几微应变至数万微应变（με，1微应变=10-6毫米／毫米）金属应变片的电阻变化率和引起此电阻变化的构件表面在应变计轴线方向的应变ε之比，称为电阻应变计的灵敏系数K。122013/5/5Sunday132.2半导体压阻材料压阻效应指当半导体受到机械力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。压阻系数π被定义为单位应力

7、作用下电阻率的相对变化机械力作用——晶格间距变化——禁带宽度变化——载流子相对能量改变——电阻率变化优点：①灵敏度与精度高；②易于小型化和集成化；③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器132013/5/5Sunday14PN结压阻效应及其应用电路半导体压阻材料主要采用单晶硅材料。为了调节力敏元件的压阻系数，电阻值和温度特