传感器敏感功能材料及应用.docx-道客多多

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1、传感器敏感功能材料及应用倪星元张志华编著( 京 ) 新登字 039 号图书在版编目 ( CIP ) 数据传感器敏感功能材料及应用 / 倪星元 , 张志华编著 .北京 : 化学工业出版社 , 2005. 3ISBN 7-5025-6744-5 . 传 . 倪张 . 传感器 -功能材料 . T P212. 04中国版本图书馆 CIP 数据核字 ( 2005 ) 第 018072 号传感器敏感功能材料及应用倪星元张志华编著责任编

2、辑 : 丁尚林文字编辑 : 李玉峰责任校对 : 边涛封面设计 : 潘峰*化学工业出版社材料科学与工程出版中心出版发行( 北京市朝阳区惠新里 3 号邮政编码 1 00 0 2 9)发行电话 : ( 0 1 0) 64 9 82 5 30h t t p :/ / w ww. cip. c om. c n*新华书店北京发行所经销北京永鑫印刷有限责任公司印刷三河市前程装订厂装订开本 787mm1092 mm 1/ 16 印张

4、学研究中 , 甚至在军事斗争中 , 传感器或者是对传感器的需求几乎无所不在。 21 世纪科学界的支柱研究领域是信息技术、新材料和生命科学 , 这三方面的研究和发展无一不与传感器有着密切的联系。近年来随着技术的发展 , 众多新的传感器迅速涌现 , 展示着新的技术革命的美好前景。传感器技术应该包括敏感功能材料、传感 ( 元 ) 器件和传

5、感器应用三个方面。毫无疑问 , 材料是传感器发展的基础和支柱 , 特别是具有对各种物理、化学量敏感的功能材料是优良的传感器所必不可少的。我们可以看到新型的敏感功能材料的发展 , 特别是半导体、特种陶瓷、特种聚合物、光纤、生物膜等新型功能材料的开发 , 不仅为改善传感器的性能及拓宽应用领域创造了条件 , 也为新型传感器的诞

6、生奠定了基础。传感器所用的功能材料种类有很多 , 结构也各不相同。材料存在有晶体、非晶体、多晶体和薄膜等不同的状态。材料涉及的敏感特性有电学性质、磁学性质、力学性质、热学性质、光学性质、声学性质及其他众多的化学特性和生物特性。因此非常有必要拓展和加深对于传感材料相关知识的认知。本书从材料的基本结构出发介绍

7、了传感器所用材料的敏感机理和功能转变的特性 , 力图使读者能从本质上对传感器材料及其应用有比较深刻的理解并应用于各自的工作和学习上。本书可以作为应用电子工程、材料工程、电气工程、自动控制、机电一体化、计算机及应用等专业学生的教材 , 或相关专业工程技术人员的参考资料。本书参考和引用了不少相关的文献和资料 , 谨

8、向这些著者表示感谢。由于水平有限 , 书中难免存有谬误 , 敬请读者指正。编者2005 年 1 月目录第 1 章绪论 11. 1 传感器的定义和分类 11. 2 信息传感与能量转换 71. 3 传感和换能材料 9参考文献 14第 2 章材料的基本结构 152. 1 基本粒子 152. 2 元素的电子层结构 162. 3 晶体及空间点阵 172. 4 元素的晶体结构和密堆积 182. 5 化合物的晶体结构

9、212. 6 高分子材料的链结构 232. 7 高分子结晶的形态和结构 28参考文献 30第 3 章键力和电子能带 313. 1 键力 313. 2 键的类型 323. 3 离子键 343. 4 共价键 353. 5 极性共价键 373. 6 金属键和范德瓦耳键 383. 7 固体的能带 383. 8 导体和非导体的能带 39参考文献 40第 4 章敏感材料的力学和热学性能 414. 1 弹性模量 414. 2 脆性 434. 3 塑性

10、 454. 4 韧性 464. 5 抗力强度 464. 6 材料的一般热性质 504. 7 热传递 524. 8 热应力 544. 9 热稳定性 56参考文献 57第 5 章敏感材料的电导和介电特性 585. 1 导电能力和电导 ( 或电阻 ) 率 585. 2 霍尔效应 595. 3 半导体特性 605. 4 电介质的电导 625. 5 介质的极化、损耗和击穿特性 65参考文献 71第 6 章敏感材料的铁磁性和铁电性 726. 1 铁

11、磁性 726. 2 各向异性与磁致伸缩 746. 3 磁化曲线和磁滞回线 766. 4 磁性材料的宏观表象和参数 776. 5 铁电体和电滞回线 806. 6 铁电特性与晶体结构 826. 7 反铁电特性 83参考文献 84第 7 章敏感材料的光、声波动及传感特性 857. 1 光的折射和反射 857. 2 光的吸收 867. 3 光的色散与散射 877. 4 材料的透光性和颜色 877. 5 发光和激光 88

12、7. 6 声波的产生和传播 897. 7 声波的反射和吸收 917. 8 水中声学 937. 9 超声、微声、次声 94参考文献 95第 8 章敏感材料的功能转换特性 968. 1 热 -电转换特性 968. 2 光 -电转换特性 1028. 3 机 -电转换特性 1068. 4 磁 -电转换特性 1138. 5 与化学现象有关的功能转换特性 1168. 6 与生物效应有关的功能转换特性 116参考文献 118第 9 章热敏

13、功能材料及传感器 1199. 1 金属热敏传感器 1199. 2 半导体热敏传感器 1249. 3 其他热敏传感器 128参考文献 131第 10 章光敏功能材料及传感器 13210. 1 概述 13210. 2 光电导传感器 ( 光敏电阻 ) 13210. 3 光敏二极管 13410. 4 光敏三极管 13610. 5 光电耦合器 13710. 6 光电池 13810. 7 热电型光传感器 13910. 8 半导体色敏传感器 140参考文

14、献 141第 11 章光导纤维及传感器 14211. 1 概述 14211. 2 F F 型光导纤维传感器 14511. 3 N FF 型光导纤维传感器 150参考文献 156第 12 章磁敏功能材料及传感器 15712. 1 半导体霍尔元件 15812. 2 半导体磁阻元件 16012. 3 磁敏二极管和晶体管 16212. 4 铁磁性金属薄膜磁阻元件 164参考文献 165第 13 章气敏功能材料及传感器 16613. 1 半导体

15、气敏传感器 16713. 2 电解质气敏传感器 17013. 3 其他气敏传感器 171参考文献 172第 14 章湿敏功能材料及传感器 17314. 1 金属氧化物陶瓷湿敏传感器 17314. 2 有机高分子湿敏传感器 17514. 3 压电湿敏传感器 17614. 4 其他湿敏传感器 177参考文献 178第 15 章力 ( 声 ) 敏功能材料及传感器 17915. 1 压力、应变传感器 17915. 2 运动量力敏传

16、感器 18215. 3 普通电声传感器 18715. 4 次声 ( 水声 ) 传感器 19215. 5 超声传感器 197参考文献 204第 16 章离子选择电化学功能材料及传感器 20516. 1 离子选择敏感元件概况 20516. 2 玻璃电极 20716. 3 晶体膜电极 20816. 4 离子选择性场效应管 209参考文献 210第 17 章生物功能材料及传感器 21117. 1 生物传感器概述 21117. 2 酶传感器 21

17、217. 3 免疫传感器 21417. 4 光导管生物传感器 21717. 5 生物电子学传感器 218参考文献 219第 1 章绪论1. 1 传感器的定义和分类人类为了从外界获取信息 , 最初只是借助于自身的感觉器官 ( 眼睛、鼻子、耳朵、舌头、皮肤 ) 。人体的五官是极好的传感器 , 例如 , 人的手指的触觉是极其灵敏的 , 并且具有众多功能 , 它可以感受物体的温度 ( 冷热

18、) 、软硬、干湿、轻重及外力的大小等 ; 此外 , 它还有特殊的手感 , 如对织物的手感、对液体黏度的手感等。但人体五官也有不足之处。例如 , 它没有察觉磁性的功能 ; 人的眼睛虽然能看见众多的景物和绚丽灿烂的光线 , 但看不见可见光波段以外的红外线及紫外线 ; 耳朵虽然能听到各种声音 , 但听不到超声波和次声波 ; 仅凭感官也很难确定化

19、学溶液中物质的种类和含量。另外 , 人体虽能感受温度 , 但只能在一个较小的温度范围内 , 较为粗略地区别温度的高低。相对而言 , 许多温度传感器却可以 “ 感受 ” 从负温百多度到正温数千度的温度 , 可检出这样宽范围的温度变化并做出相应的反应。一些温度传感器可以精确地分辨出 1/ 10 度或 1/ 100 度 , 甚至更小的温度差别 , 并且可以非

20、常快地显现出来。显然 , 为了更深入和广泛研究自然现象和加速发展生产 , 仅靠人体感觉器官是很不够的。随着需求的发展 , 人们对自然现象不仅需要有定性的认识 , 还需要有一个定量的认识。人体感觉器官尽管常常是很有效的 , 但无法准确地定量。毫无疑问 , 只有量化的信息才有助于我们较为确切地推论和了解自然现象的本质。于是 , 人

21、们寻找和发展了能代替或者补充人体感觉器官功能的工具传感器。传感器可以显现检测到的定量信息 , 因此是一种不可缺少的定量检测工具。我们可以通过传感器取得关于检测对象较为准确的量化的信息 ( 一次信息 ) , 了解被检测对象的情况 , 也可以再根据对这些信息处理的结果 ( 二次信息 ) , 了解被检测对象的情况。传感器的历史悠久 , 比

22、我们公认的近代科学史的历史更长。如我们沿用到现在的木制的杆秤、天平及特别令我们中华民族骄傲的指南针等工具 , 自古代起就被广泛使用 , 一直沿用到现在。利用液体受热膨胀的特性进行温度的测量在 16 世纪前后就已出现。电磁学的基础建于 19 世纪 , 法拉第所完成的各种巧妙的实验为人类认识物质世界做出了极大贡献 , 对传感器的

23、发展开辟了新的天地 , 直到现在他所发现的物理法则作为各种传感器的基本工作原理仍被广泛地应用着。工业革命以来 , 各种大型机器和多功能设备的发明和广泛使用 , 给社会生产和人们生活带来了巨大的变革 , 传感器对开拓和提高这些机器设备的性能及促进生产力发展 , 起到了极大的推动作用。例如 , 当年瓦特发明了一种把旋转速度参量变

24、换为直线位移参量的传感器离心调速机 , 以此控制蒸汽机车的速度。近一个世纪来 , 以电参量作为输出形式的传感器得到了特别的青睐。由于真空管和半导体等有源元件的可靠性提高 , 使得以电参量作为输出形式的传感器得到飞速发展。目前 , 日1常所说的传感器一般都是指以电参量作为输出形式的传感器。近四十多年来电子集成电路技术和

25、半导体应用技术的高速发展 , 带动了传感器的发展 , 研究开发了许多性能更好的传感器 , 现在已经有许多新型的传感器可以与计算机联合进行信号处理和实施控制。正是由于以电参量作为输出形式的传感器出现 , 使自动控制得以实现和蓬勃发展。在一个自动控制系统中 , 一般首先由传感器将检测到的非电量信息转换成电量参数 , 然后进行自动

26、控制。例如 , 家用电冰箱和空调器就具备这样的一个温度自动控制系统 , 由温度传感器将温度变化的信息转换成电量参数传输到温控器 , 由温控器来控制压缩机的开关达到控制的目的。又例如 , 在化工产品自动生产过程中 , 首先需要按确定的配方中的不同混合比例对所用原料进行自动称重以及对成分或浓度进行分析。为监控在反应容器中的

27、反应过程 , 又必须测定容器中的压力或体积。若有半成品在生产线 ( 管道 ) 中传输 , 需要检测传输速度或流量。最后的成品需要分级、分类、自动分装 , 还要称重。所有这些环节均需要使用各种传感器对整个过程中的所有非电量信息 ( 压力、压强、黏度、酸碱度等 ) 进行检测和控制 , 使设备或系统自动地在预先设定的最佳状态下正常地运行

28、 , 保证生产的高效率和高质量。使用了传感器使得各类生产及加工设备朝着半自动、全自动、智能化方向快速发展 , 各种全自动生产流水线、多功能机器人相继出现。传感器可有效地帮助实现生产合理化 , 自动化 , 提高产品质量 , 降低生产成本 , 减轻工人的劳动强度 , 避免有害作业的直接操作。不仅在生产领域 , 在日常生活中传感器也施展

29、出了其巨大的魅力。传感器大力促进了家用电器的发展 , 带有传感器的新颖的家用电器层出不穷。不仅在家务劳动的自动化、省力化方面起到极大的作用 , 如全自动洗衣机、洗碗机 , 还极大地提高了人们的生活质量 , 如能自动控温的电冰箱 , 空调机。在医疗器械方面 , 新型的带有传感器的设备和产品更是不胜枚举 , 如电子血压计、脉搏计、

30、电子体温计等。无论是飞机、人造卫星、太空飞船的起降或是巡航都离不开传感器 , 在航空、航天方面 , 传感器是不可缺少的 “ 灵魂 ” 部件。在自然资源调查、海洋勘探开发、生命奥妙探索等众多领域 , 传感器都正在发挥着无可替代的重要作用。正因为如此 , 传感器技术已受到世界各国普遍关注 , 并已发展成为一种专门的技术学科。当今世界

31、已经进入一个高度发达的信息化时代 , 面临着一场新的技术革命。这场革命以极大地提高劳动生产率和工作效率为主要特征 , 而技术革命的主要基础就是信息技术。信息技术的关键在于信息的采集和信息处理 , 而信息采集主要依靠各种类型的传感器。传感器能够将各种信息的感知、采集、转换、传输和处理等多种功能集于一身 , 是实现现代

32、化测量和自动控制 ( 包括遥感、遥测、遥控 ) 的主要环节 , 可以看作是现代信息产业的源头 , 又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在 , 传感技术与信息技术、计算机技术已被并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。不难设想 , 如果没有高度保真和性能可靠的传感器 , 没有先进的传感器技术 , 那么信息的准确获取将成为一

33、句空话 , 信息技术和计算机技术就成了无源之水。目前 , 从宇宙探索、海洋开发、环境保护、灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日常生活 , 几乎无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。传感器技术是信息时代的必然要求。因此 , 毫不夸张地说 , 没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。

34、表 1-1 表明了传感器在我们现代生活和生产中的地位和作用。根据我国相关的国家标准 , 对于传感器 ( T r ansdu cer ) 的定义是 : 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用的输出信号的器件或装置。通常传感器内由敏感元件和转换元件两部分组成 , 也可能是二者合一的。其中 , 敏感元件 ( Sensitive Elemen t) 是指传感器中能2表 1-1

35、传感器应用领域应用领域功能要求传感器类型交通工具速度与方位监控 , 节能与安全排放 , 流量集中管理等温度、压力、转数、速度、位移、流量等传感器工业生产提高产品质量、生产效率与减轻劳动强度 , 科学管理 , 节约能耗 , 安全生产等温度、压力、转数、速度、位移、流量、湿度、液位、状态等传感器医疗器械治疗、检验自动化和智能化等温

36、度、压力、转数、速度、位移、流量、同位素等传感器建筑设施设计定位 , 施工监控 , 防灾、防盗报警等温度、压力、转数、速度、位移、流量、气体等传感器勘探测量资源调查 , 地矿钻探 , 气象预报 , 海洋探测 , 太阳能利用等温度、压力、转数、速度、位移、流量、磁力等传感器农业生产农业工业化 , 农产品加工 , 病虫害防治等温度、压力、转

37、数、速度、位移、流量、湿度、成分等传感器污染治理污染物探测、报警和治理等温度、压力、转数、速度、位移、流量、气体、成分等传感器制造加工材料选择 , 过程监控 , 成品检验等温度、压力、转数、速度、位移、流量、尺寸、成分等传感器科学研究标准信息传递 , 高精度测量 , 特殊参数测试等温度、压力、转数、速度、位移、流量、位置

38、、成分等传感器信息处理信息传输 , 信息管理 , 广播通信 , 图像传播等光、磁、色、图像、频率、光纤等传感器其他商业流通 , 教育手段等温度、压力、转数、速度、位移、流量等传感器直接感受被测对象的非电量信息的部分 , 而转换元件 ( T ra nsducer Ele men t ) 是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适合传输的电参量的部分。在许多

39、情况下 , 并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件和转换元件两个部分 , 常常是两者合二为一的。例如半导体气体传感器、半导体光电传感器等 , 它们通常都是在一个元件中将感受到的被测量信号直接转换成电信号输出 , 没有中间变换的元件和过程。与传感器相类似的术语有 “ 换能器” , 按日本工业标准 ( JIS) , 换能器定义为 “ 对应于被测

40、量 , 能给出易于处理的输出信号的变换器 ”。国际标准协会 ( ISA ) 也是这样定义的。但是从更广泛的意义来说 , 不一定对应于被测量 , 有时也把能将某个量变换为其他形式的量的变换器叫做换能器。例如 , 把电能变换为声能的变换器 ( 喇叭、超声波振荡器等 ) , 多称为换能器。因此从检测的功能出发 , 传感器似乎比换能器更为贴切。其实 ,

41、传感器这个词作为一个学术上的专用术语 , 常常并不是狭义的。有时候 , 传感器即指构成换能器的元件 , 即变换元件 ( T r an sduce r 或 Sen sor ) , 直接被称为换能器、变换器、变送器或探测器 , 其主要特征是能感知和检测某一形态的信息 , 并将其转换成另一形态的信息。因此 , 传感器是指那些对被测对象的某一个确定的信息具有感受

42、( 或响应 ) 与检出功能 , 并能按照一定规律转换成与之对应的、有效的输出信号的元器件或装置。当然这里的信息应包括电量或非电量 , 而输出信号一般为电量信号。因此 , 也不妨将传感器定义为敏感于待测非电量 , 并可将它转换成与之对应的电信号的元件、器件或装置。当然 , 将非电量转换为电信号并不是惟一的形式。例如 , 可将某种形式

43、的非电量转换成另一种形式的非电量 ( 如将位移的量转换成磁、应力转换成应变、热量转换成光信号等 ) 。随着技术的发展 , 现在许多领域已经由电波传导发展为光波导 , 因此 , 将被测的非电量转换成光信号或许更为有利。3传感器是根据一些元件和材料的物理、化学及生物的特性或某些特殊效应设计加工制造出来的。一般来说 , 传感器应由

44、敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。但也并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量 , 它就同时兼为转换元件 , 因此 , 敏感元件和转换元件二者合一的传感器是很多的。例如 , 压电振子、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。图 1-1 中的信号调节电路是能把转换元件输出的电

45、信号转换为便于显示、记录、处理和控制的 , 有效的电信号的电路。辅助电路通常包括电源 , 即交、直流供电系统 , 这方面有许多的专著和论文可供参考。从图 1-1 中可以看到传感器中的核心是敏感元件和转换元件及相应材料 , 而这些将是本书讨论的主题。图 1-1 传感器组成框图传感器的品种很多 , 原理各异。若按工作机理的不同 , 可分为结构

46、型、物性型、复合型和智能型四大类。结构型传感器是利用基本的物理定律构成 , 传感性能首先取决于材料本身的状态。在测量过程中敏感元器件或装置的与结构相关的几何尺寸 ( 如厚度、角度、位置等 ) 在被测量作用下会发生变化 , 由此获得与被测物体非电量成一定比例的电信号。例如 , 用于测量压力、位移、流量、温度的力平衡式、电

47、容式、电感式等传感器都属于这一类。这类传感器开发得最早 , 至今仍然广泛应用于工业流程检测设备。物性型传感器是由其构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量 , 并可将被测得的非电量转换成电信号的敏感元器件。由于它的敏感特性取决于材料本身4的物性 , 一般不怎么关心结构上存在的几何尺寸的变化 , 而更关

48、注的是这类传感器固有特性对被测量的响应情况。物性型传感器多以半导体为敏感材料 , 故易于集成化、小型化、智能化。显然 , 这对于与计算机连接 , 并实现联动监控是有利的。所有的半导体传感器 , 以及凡是利用因环境发生变化而导致本身性能发生变化的金属、半导体、陶瓷、合金等制成的传感器都可归于物性型传感器。由于人们对材

49、料科学的不断深入的研究 , 新的敏感功能材料不断被开发 , 物性型传感器无论是应用的范围和应用的数量都呈现出高速发展的趋势。复合型传感器实质上主要还是物性型传感器 , 只是复合型传感器增加了一些中间转换环节 , 并将其与其他物性型敏感元件组合而成。采用中间环节是必要的 , 这是因为在实际工作中大量被测对象中只有一部分非电量 ( 如压力、应变、光、磁、热、水分和某些气体 ) 可直接利用某些敏感材料的物质特性转换成电信号 , 而有许多被测得的非电量不能直接转化成电信号。所以 , 为了适应被测对象 , 利用这样一个中间转换环节 , 将不能直接转换成电信号的非电量变换成能够转化的非电量中的一种 , 然后再利用相应的物性型敏感元

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