重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第三章 敏感元件

第三章 敏感元件

作用：把物理量转换为电量，是传感器中的主要元件。 必备两个基本功能：

①敏感被测量（物理量、化学量）②对应产生输出量（电量）。

§3-1 变换力和压力的弹性敏感元件

一、弹性敏感元件的作用

非电量—→弹性元件—→应变量—→换能元件—→电量 弹性元件两种类型：

①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏感元件。 二、弹性特性：

作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。 1．刚度：弹性元件受外力作用下变形大小的量度。

dx dF

k =

F —作用外力 x —变形

弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点处的刚度。

dx dF tg k =

=θ

2．灵敏度：单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。

dF dx K =

并联时，系统的灵敏度：

∑==

n

i i K K 111

灵敏度低，刚度大

串联时，系统的灵敏度：1

n

i

i K K ==∑ 灵敏度高，刚度小

三、弹性滞后和弹性后效

1．弹性滞后——弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合现象。

滞后误差：弹性变形之差，直接产生测量误差。 2．弹性后效——当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。

使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变，造成测量误差，尤其在动态测量中影响较大。 4．固有振动频率：——由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。

决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望0f （或0ω）高。

因

e

m k =

0ω

e

m k f π

210=

， k — 弹簧刚度，m e — 等效振动质量

所以

提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率

0ω、0f

↓。

k K 1=

提高0ω、0f

↑，灵敏度K 会降低，需综合考虑。 5．固有频率f 0与弹性元件的变形dx 以及材料性能的关系

ρ??=l S m ， S —截面积，l —长度，ρ—密度

弹性元件相对变形：E l dx σδ== ，式中 E —弹性摸数，σ—应力，∴dx

l E ?=σ

0f ======

=

最后可得：

ρπσ

?=

?E dx f 20

可知弹性元件dx

f ?0的乘积对于特定材料是有一个极限值的，σ达到许用应力时， dx 大，f 0就只能小，反之亦然。

6．弹性敏感元件的形式及其应用范围。

力、压力——→弹性敏感元件——→

输入

输出 应变—各种应变传感器

位移—电感式、电容式、电阻式等传感器

（1）力变换弹性元件：

轴状元件：优点：工艺性好；

缺点：位移量小，灵敏度受限，

l E l

f 29.00=

空心圆筒：优点：灵敏度高。 圆环：

优点：灵敏度高，输出位移大，测量力小；缺点：工艺性差，应力不等，尺寸小。 悬臂梁：优点：灵敏度高，输出位移大，

l E l h f 2

0162.0=

， 变截面梁：

l E l h f x 2

0316.0=

（2）压力变换弹性元件

弹簧管：高压测量； 薄壁圆筒：均匀应力，热惯

性小。

（3）力或应力变换弹性元件：

平面膜片：适于大量程

l E

r h f 2

0492.0=

波纹膜片：适于小量程，灵敏度高。

波纹管： 灵敏度最高（相当于

串联系统）

§3-2 常用敏感元

件的形式及原理

压磁效应：

①材料受压力时，作用力方向磁导率μ减小，作用力垂直方向，μ略有增大。受拉力时，效果相反；②作用力取消后，磁导率复原。

压电效应：

某些电介后物质在一定方向上受外力作用，内部产生极化现象，表面产生电荷，外力去掉重回到不带电状态。机械能—→电能。

热电效应（塞见克效应）：

两种不同导体组成闭合回路，如两接点温度不同，回路中会产生电动势，有电流流过。光电导效应：

光照射到大多数高电阻率半导体材料，电子吸收光能过渡到自由状态，引起该材料电阻率下降而易于导电的现象。如光敏电阻。

光生伏特效应：

在光照射下，结面产生光生电动势。光电池、光电二极管、光电三极管。

§3-3传感器敏感材料

一．半导体敏感材料

半导体材料按化学组成可分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体等。

半导体内载流子浓度可在很宽范围内变化。根据这种变化能控制其电阻阻值，这是半导体的最大特征。外部对半导体的作用能改变半导体内电子的运动状态和数目，故外部作用的

大小可转换成电信号。半导体的这种电子特征，就是半导体敏感元件的特征基础。

1．元素半导体

（1）．单晶硅

目前的固态传感器大部分是用单晶硅材料制造，因为单晶硅具有优良的机械、物理特性，材质纯，内耗低，功耗小。单晶硅的机械品质因数很高，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好。

单晶硅又是半导体材料，具有优良的电学性质．其压阻效应取决于晶向。

单晶硅的应变灵敏系数比金属的高1—2个数量级。

单晶硅传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容性。硅传感器与调理电路单片集成可实现微型化、低功耗，并有利于提高传感器的一致性、可靠性和快响应。

（2）．多晶硅

多晶硅是许多单晶（晶粒）的聚合物，这些晶粒的排列是无序的。不同晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内都具有单晶的特征。

晶粒大小对压阻效应也有一定形响，晶粒越大，压阻效应越大，即应变灵敏系数越大（单晶情况下为最大）。

多晶硅压阻膜与单晶硅压阻膜相比，其优点是可在不同衬底材料上制作。如金属材料衬底，而制备过程与常规半导体工艺相容，且无PN结隔离问题，因而有良好的温度稳定性。多晶硅压阻膜的应变灵敏系数虽比单晶硅膜低．但仍比金属高一个数量级。用多晶硅压阻膜可有效抑制传感器的温漂，是制造低温漂传感器的好材料。

2．化合物半导体

大多数化合物半导体具有类似于单元素半导体的结构特点和电特性．其优点是具有较宽的禁带范围和迁移率。

CaAs（砷化镓）、InP(磷化铟）、GaP（磷化镓）应用很广，是微波、光电器件的主要材料；InSb、InAs的禁带窄，电子迁移率高，主要用于制造红外器件及霍耳器件。利用金属氧化物的半导体性质可作为温度、湿度或气体敏感元件材料。

3．非晶半导体

非晶半导体有容易薄膜化、对可见光的光吸收系数大、禁带宽区可控制的特点，可作为光敏元件材料。同时，由于淀积温应低，可使用多种材料作衬底，并可大面积淀积，适用于制造薄膜式传感器，用以感受压力分布和识别形状。

具有种种特异现象（光诱导晶化和结构变化、光掺杂、开关、存储），已开发应用于开关器件、大阳能电池及光电导器件。

4．硅蓝宝石

硅蓝宝石材料是在蓝宝石衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。由于衬底是绝缘体，可以实现元件间的分离，且寄生电容小，可工作在较高的温度下（300℃）。蓝宝石的机械

强度是体形硅的2倍多，蠕变极小，优于单晶，且耐辐射，耐腐蚀，化学稳定性好。

二．石英敏感材料

1．石英晶体

石英晶体为各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。

石英晶体又具有压电特性，即其弹性和电学性质为相互耦合。其压电矩阵仅有而个独立的压电系数d11、d14。

石英晶体又是绝缘体，在其表面淀积金属电极引线，不会产生漏电现象。

石英晶体和单晶硅一样，具有优良的机械物理性质，材质纯、内耗低、功耗小。

三．功能陶瓷材料

1．压电陶瓷材料

压电体的压电效应与其极化强度的变化有关。并非在任何力（或电场）作用下在任何方向都能产生压电效应，而只是在某些方向的力（或电场）作用下，沿某些特定方向才产生压电效应。

2．热释电陶瓷材料

热释电材料包括单晶体、陶瓷材料、有机高分子材料及薄膜材料，其主要特点是随温度的变化会引起晶体自发极化的变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷。也就是说，热释电效应是由于晶体中存在着自发极化所引起的。

利用热释电材料构成的敏感元件，它能以物体辐射的红外线作为热源，从而进行非接触检测。这种红外线热敏元件的特点：

（l）能非接触、高灵敏度、宽范围（－80℃一1500℃）检测温度；

（2）对波长依赖性小，能检测任意红外线；

（3）能在常温工作；

（4）快速响应。

3．半导体陶瓷材料

半导体陶瓷是指具有半导体特性的陶瓷材料，绝大多数都是由各种氧化物组成的。

（1）热敏半导体陶瓷材料

（2）气敏半导体陶瓷材料

（3）湿敏半导体陶瓷材料

（4）压敏半导体陶瓷材料

（5）多功能敏感陶瓷