非晶材料在传感器中的应用

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1、非晶材料在传感器中的应用　　论文关键词：单晶材料　多晶材料　非晶材料　非晶硅　非晶磁性材料　非晶传感器　　论文摘要：摘要：对敏感功能材料研究开发所呈现的主要趋势之一就是从单晶材料向多晶材料和非晶材料方向过渡发展。由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料的限制性小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而受到多方面青睐。本文侧重介绍非晶材料的现状、基本特性及其在传感器中的应用与展望。　　一、引言　　最近，对敏感功能材料的研制开发所呈现的主要趋势之一就是从单晶材料向多晶材料和非晶材料的方向过渡发展。到目前为止，传感器中应用的敏感功能材料多为单晶材料，特

2、别是物理类传感器更是如此。例如，光敏传感器一直就是用Si、GaAs之类的单晶半导体。另一方面，气敏传感器主要由多晶材料或多孔陶瓷构成。陶瓷由粉末混合物经模压、烧结而形成。采用理想特性的原材料并对烧结工艺严加管制，便可制成一种精细陶瓷，使之应用于传感器，从而开辟了陶瓷拓宽应用的新天地。单晶传感器仅利用了晶体的体性能，而多晶传感器和陶瓷传感器则利用了多孔性和晶粒边界特性，从而开辟了拓宽应用于气敏传感器和热敏传感器的新途径。　　非晶材料大致分为非晶磁性材料和非晶半导体材料。引人注目的非晶合金现已步入实用阶段，特别是近年来又在基础和应用方面作了深入研究

3、，从而了解非晶金属在结晶状态所具有的独特物性，使之拓宽应用于传感器，颇具实用价值。　　二、背景材料以及非晶材料的应用现状　　随着人类认识的发展和技术的进步,从20世纪50年代涌现了若干新型非晶态材料,包括非晶合金、非晶半导体、非晶超导体、非晶离子导体和有机高分子玻璃等。其中非晶合金中原子的混乱排列情况类似于玻璃,故又称为金属玻璃。金属玻璃可由多种工艺制备，所有工艺都涉及将合金从液态或气态快速凝固，凝固过程非常快以致将原子的液体组态冻结下[1-3]。它们在热力学上处于亚稳状态,在晶化温度以上即可克服一定大小的能垒而转变成晶态。　　研究表明,非晶态

4、结构上与液体相似(见图1),原子排列是短程有序的;从总体上来说是长程无序的,宏观上可将其看作均匀、各向同性的。非晶态结构的另一个特点是热力学的不稳定性,存在向晶态转化的趋势,即原子趋于规则排列。为了进一步了解非晶态的结构,通常在理论上把非晶态材料中原子的排列情况模型化,其模型归纳起来可分为两大类。一类是不连续模型,如微晶模型、聚集团模型等;另一类是连续模型,如连续无规则网格模型、硬球无规密堆模型等。虽然所建立的种种模型[4]于描述非晶态材料的真实结构还不够精确。但在解释非晶态材料的某些特性如弹性、磁性上,还是取得了一定的成功。非晶态合金的长程无

5、序、短短有序的特性导致非晶态金属有着良好的机械性能、优良的化学性能以及优异的软磁性能。图1气、液、晶态和非晶态双体分布函数[5]1、非晶磁性材料非晶磁性材料是杜韦斯(Du)0.568.040饱和磁通密度Bs(T)0.781.510.40居里温度（K）543773480结晶温度（K）798------注：*1.片厚20μm*2.片厚100μm　　3、高饱和磁通密度基本组合成分为Fe、Si、B，以提高耐蚀性、降低铁耗为目的，还可适量添加Cr、Ni、Nb等元素。表3列出高饱和磁通密度Fe基非晶金属的磁特性，并与方向性硅钢板作了比较。铁耗要比硅钢小1/

6、3~1/5。　　4、高磁通密度　　由于Fe基非晶金属无结晶磁各向异性，透磁率大，而且磁致伸缩大，即使是弱磁场也能发生大的磁致伸缩，因而作为磁致伸缩材料的应用开发相当活跃。非晶材料的k值显著大于结晶材料。可用作超声波元件而特别引人注目。　　四、应用由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料限制小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而作为敏感功能材料倍受青睐，现已日益广泛应用于各种传感器。图3所示为主要用例。图3非晶硅传感器1、光传感器[6]有效利用非晶硅的特性便可研制成高性能的光传感器。非晶硅光传感器有光导电池式和光敏二极管式2种。光敏二极管具有与

7、太阳电池相同的p-i-n结构，非晶硅光敏二极管的灵敏度和响应时间与单晶硅光敏二极管相近。①光导电池图6所示为未掺杂非晶硅的一个典型特性—光导性与单色光强度的函数关系。在1mOS型扫描器和非晶硅光导层组成。模式识别传感器是图像传感器的另一个应用实例。图11示出模式识别传感器的结构简图，由设置在2块透明板之间的光传感器阵列（16×16，2×2mm）构成。图9线性光传感器的结构简图图10固态图像传感器的结构简图图11模式识别传感器的结构简图2、温度传感器首先介绍西贝克效应[7]：如下图11所示，所谓西贝克效应就是指当一种材料两端有温度差时，在材料内部

8、将形成电场，相应的存在电动势。若把材料两端相连成闭合电路，线路中有电流通过。通常用温差电动势率来表示这一电动势，它是材料两端单位温度差引起的温差电动势