敏感材料1-2答案.doc

1、敏感材料与传感器作业（1、2 次合并）1. 解释：传感器、传感器技术、敏感材料、磁阻效应、双金属敏感元件、LB 膜、 SA 膜、形变规、约瑟夫逊(Josephson)效应、色谱法、形状记忆现象、陶瓷材料、压电效应、热释电效应、空穴、有效质量、压阻效应（1）传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换电路组成。（2）传感器技术：是一个汇聚物理、化学、材料、器件、机械、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。（3）敏感材料：是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能

2、材料。（4）磁阻效应：物质在磁场中电阻发生变化的现象。（5）双金属敏感元件：是将热膨胀系数不同的两种金属片贴合而成的敏感元件。（6）LB 膜：将含有亲水基和疏水基的两性分子在水面上形成的一个分子层厚度的膜（即单分子膜） ，以一定的方式累积到基板上的技术。（7）SA 膜：具有一定功能特性的分子通过化学键作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量较低的有序膜。（8）形变规：利用物质因受力而使其电阻发生变化的敏感元件。（9）约瑟夫逊(Josephson)效应：在两超导体间插入纳米量级的绝缘体，超导电流会从一块超导体无阻通过绝缘层到另一块超导体。（10）色谱法：使混合物中各组分在两相间进

3、行分配,其中一相是不动的(固定相), 另一相 (流动相)携带混合物流过此固定相 ,与固定相发生作用,在同一推动力下,不同组分在固定相中滞留的时间不同,依次从固定相中流出,又称色层法,层析法。（11）形状记忆现象：在点 Ms 生成的马氏体在温度降低的同时慢慢成长。若消除来自马氏体相变状态的晶体应力，且又加热，则马氏体产生与相变时相反的晶格剪切，从而返回原来的晶体结构。（12）陶瓷材料：利用陶瓷的物理性质对力、电、磁、热、光等的敏感特性可以制成种类繁多的陶瓷功能材料。（13）压电效应：某些物质在特定方向施加应力发生形变就会产生电荷，反之，若施加电压则会产生机械形变的现象。（14）热释电效应：随着温

4、度的变化，晶体因结构上的变化导致电荷中心相对位移，而发生自发极化，从而在其两表面产生异号的束缚电荷的现象。（15）空穴：共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，称这些空位为空穴。（16）有效质量：并不代表正真的质量，而是代表能带中电子或空穴受到外力时，外力与加速度的系数，它概括了半导体内部势场的作用。（17）压阻效应：应力的作用下半导体晶体的能带结构发生变化，从而改变载流子迁移率和载流子密度的。2. 传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？传感器的发展方向表现在哪几个方面？（1）传感器技术发展动向：新效应，新材料、新功能的开发应用。微

5、机械加工工艺的发展。传感器的多功能化发展。研究生物感官，开发仿生传感器。（2）传感器发展的方向：传感器的多功能化、集成化、数字化、智能化和高精度。3. 信息技术的三大支柱技术是哪些？分别具有什么作用？传感器技术、通信技术、计算机技术。传感器技术作用采集信息，通信技术的作用是传输信息，计算机技术是处理信息。4. 传感器研究的基本思路是怎样的？（1） 敏感材料机理研究（2） 选择合适的敏感材料（3） 设计合适的传感功能结果（4） 传感器制备工艺研究（5） 传感器性能测试（6） 后端信号处理电路研究和传感器应用研究5. 传感器的基本构成型式有哪几种？试画图并简要说明各自的特点。自源型，激励源型，外源

6、型，三种补偿型。自源型：（a）不需要外能源；(b) 其传感元件具有从被测对象直接吸取能量 ,并转换成电量电效应；(c)输出能量较大。激励源型：需要使用磁铁等辅助能源对传感器进行激励，从而获得输出信号。外源型：它必须通过带外电源的变换电路，才能获得输出信号。三种补偿性：（1） 相同传感器的补偿型：使用两个原理和特性一样的敏感元件，其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过电路，利用后者消除前者的环境干扰影响。（2） 差动结构补偿型：采用了两个原理和特性完全相同的转换元件，同时接收被测输入量，并置于同一环境中，巧妙的是，两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，通

7、过变换（测量）电路使有用输出量增加，干扰量相消。（3） 不同传感器的补偿型：其中一个接受信号，并已知其受环境影响的特性，另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号。6. 磁阻效应有哪两类？它们有什么区别？可分为物理磁阻效应和几何磁阻效应。物理磁阻效应是指长方形半导体片收到与电流方向垂直的磁场作用时所产生的电流密度下降，电阻率增大的现象；几何磁阻效应是指在相同磁场作用下，由于半导体片几何形状的不同而出现电阻值不同变化的现象，几何磁阻效应又称为形状效应。 （书上）可分为基于霍尔效应的普通磁阻效应和强磁性体中各向异性磁阻效应。区别：基于霍尔效应的磁阻效应使沿外加电场方向运

8、动的载流子数量减小，电阻增大，表现出横向磁阻效应；而各向异性磁阻效应则是外加磁场偏离内磁场方向时，电阻减小，若外加磁场方向平行于内磁体磁化方向时，电阻几乎不随外磁场变化。 （ppt 上）7. 常见的金属热敏电阻有哪些？铂、铜、铁和镍8. 磁致伸缩产生的原因有哪些？磁偶极矩变化而产生晶格离子位置的偏移，磁弹性结合能变化引起晶格离子位置的偏移，以及由自旋引起的传导电子云分布的变化等。9. 约束超导现象的三大临界条件是哪三个？临界温度（Tc） 、临界磁场（Hc ） 、临界电流 JC10.简述化学敏感元件的基本工作机制。11.简述氧化物半导体在气敏元件中的应用。氧化物半导体上吸附氧后测量吸附热、伴随吸

9、附的电导率变化、功函数的变化等，可以为气敏元件探测氧的含量提供依据。12.描述陶瓷材料中热敏电阻的分类，并给出每种类型热敏电阻的代表性材料。（1）NTC 热敏电阻是具有随温度升高而电阻指数减小的负温度系数的元件。大部分 NTC 热敏电阻材料是Fe、Ni、Co、Mn 等过渡金属氧化物，多数情况下是由具有尖晶石型、岩盐型、黑锰矿型、方铁锰矿型等晶型的化合物或其混合物组成的。（2）PTC 热敏电阻是在某一温度范围内其电阻呈非线性显著增加，且整体具有正的温度系数的元件。PTC 材料目前采用的是钛酸钡（BaTiO3）系半导体。（3）CTR 热敏电阻是骤变热敏电阻或临界热敏电阻，代表材料是 VO2 系材料

10、。13.请画出压电陶瓷的制备工艺流程图。14.试比较物理吸附与化学吸附的差异。15.试简述金属氧化物陶瓷材料敏感机理？并以此说明 n 或 p 型金属氧化物材料中吸附气体性气体和还原性气体后，其导电率分别发生怎样的变化？吸附分子与固体相互作用（电子授受）的结果往往被离化。如果吸附分子的分子轨道的最高被占能级在固体空的能级之上，则产生由吸附分子到固体表面的电子跃迁，吸附分子带正电荷。反之，如果分子有空的能级在固体的费米能级以下，则吸附分子接受电子，带负电荷。因此表面电导发生大的变化。n 型半导体吸附还原性气体时，还原性气体将电子交给半导体，而以正电荷与半导体相吸着，进入 n 型半导体内的电子，束缚

11、其少数载流子的空穴，使空穴与导带上参与导电的自由电子复合几率减少，这实际上是加强了导电能力，因而减少了元件的电阻值。与此相反，若 n 型半导体吸附氧化性气体时，气体以负离子形式吸着，而将空穴给予半导体，其结束是使导带电子数目减少，而使元件电阻值增加。P 型半导体与 n 型半导体变化相反。16.陶瓷材料有哪四种极化机制？（1）电子极化（由原子内的电子与核的相对位置的变化而产生的极化） ；（2）离子极化（在离子性化合物中，由于正、负离子的重心偏移而产生的极化） ；（3）定向极化（由于对偶极矩电场取稳定方向而产生的极化） ；（4）空间电荷（界面）极化（在多晶等不均匀电介质中，由于电荷载体聚集在特定空间或界面而产生的极化） 。17.压电陶瓷与压电晶体的压电机理有何区别？压电陶瓷需要经过极化之后才具有压电效应，而压电晶体本身就具有压电效应。18.基于热释电效应的红外敏感材料应该满足什么要求？（1）充分吸收入射的红外线。（2）为了使与吸收的热能相对应的温度上升的幅度大，应该使用体积比热小，微型化或薄膜化的材料。（3）与温度升高相对应的表面电荷变化大，即热电系数=dPr/dT 大。当室温的 Pr（剩余极化）大，且 Tc（居里温度）适当高时， 变大。 Tc 一低 就大，但使用温度受到限制，且 随温度变化变大。（4）与表面电荷变化相应的电容小，且可产生大的电压。