第二章 傳感器的功能材料及加工工藝

1、LOGO第第2 2章章 傳感器的功能材料及傳感器的功能材料及加工工藝加工工藝v傳感器的基礎(chǔ)是構(gòu)成傳感器的材料其本身的各種基礎(chǔ)功能效應(yīng)，以及這些效應(yīng)的傳輸和功能形態(tài)的變換v加工工藝是傳感器從實驗室走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵?，F(xiàn)代加工制造技術(shù)中的各種工藝手段在傳感器領(lǐng)域都有所體現(xiàn)。v多個零部件組裝而成的結(jié)構(gòu)型傳感器，如應(yīng)變電阻式傳感器、渦街流量傳感器、電渦流傳感器等，其敏感原理早已為大家所熟知，而加工工藝則各有千秋。傳感器的性能，尤其是溫度穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)，也因此而有很大差異2.12.2第第2章章 傳感器的功能材料及加工工藝傳感器的功能材料及加工工藝傳感器使用的材料傳感器使用的材料傳感器的加工工藝傳感器的

2、加工工藝v傳感器材料：v敏感材料v輔助材料2.1傳感器使用的材料傳感器使用的材料表表 2 1各類材料在傳感器中的應(yīng)用情況各類材料在傳感器中的應(yīng)用情況v導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)導(dǎo)體導(dǎo)體v有兩類導(dǎo)體，即電導(dǎo)體（金屬及其合金）和離子導(dǎo)體或電解液（酸、堿和鹽溶液）v金屬及其合金被用于傳感器時可利用其熱電特性，或者其電導(dǎo)率對溫度和應(yīng)力的依賴性。v金屬還可用來構(gòu)成能使被測對象產(chǎn)生顯著變化的電路元件，如電渦流傳感器中的線圈、電容式傳感器的極板、電化學(xué)傳感器中的電極等。v離子導(dǎo)體或電解液主要用于化學(xué)量傳感器，尤其是基于電化學(xué)原理的傳感器。v尤其是基于電化學(xué)原理的傳感器。雖然電化學(xué)傳感器方面的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，但具

3、體實現(xiàn)技術(shù)方面仍然存在許多需要研究的問題。電化學(xué)傳感器的技術(shù)成熟度幾乎是目前所知的化學(xué)量傳感器中最高的。據(jù)統(tǒng)計，商業(yè)化的氣體傳感器中，90%以上屬于電化學(xué)類傳感器。2.1.2導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)v 半導(dǎo)體敏感材料半導(dǎo)體敏感材料具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素或化合物之所以被廣泛用于敏感材料，是由于測量對象導(dǎo)致半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生較大的變化。由于半導(dǎo)體材料對很多信息量既具有敏感特性，又有成熟的平面工藝，易于實現(xiàn)多功能化、集成化和智能化，同時也是很好的基底材料，所以是理想的傳感器材料。半導(dǎo)體材料目前已經(jīng)廣泛用在傳感器中，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)也將會占主導(dǎo)地位。電介質(zhì)電介質(zhì)v電介質(zhì)材料具有共價鍵，

4、是良好的電絕緣體。電介質(zhì)材料的特性常用介電常數(shù)來表征。介電常數(shù)是電通量密度與電場強度之比，即 。真空的介電常數(shù)為 ，電介質(zhì)材料的介電常數(shù)則為 。陶瓷、有機聚合物和石英也是傳感器中經(jīng)常使用的電介質(zhì)2.1.3陶瓷敏感材料陶瓷敏感材料v 2.1.3.1物理敏感陶瓷材料物理敏感陶瓷材料v陶瓷熱敏器件陶瓷熱敏器件v陶瓷光敏電阻陶瓷光敏電阻v陶瓷壓電元件陶瓷壓電元件v陶瓷熱釋電材料陶瓷熱釋電材料 2.1.3陶瓷敏感材料陶瓷敏感材料v 2.1.3.2化學(xué)敏感陶瓷材料化學(xué)敏感陶瓷材料v濕敏陶瓷濕敏陶瓷v氣敏陶瓷氣敏陶瓷 v 2.1.3.3其他陶瓷材料其他陶瓷材料有機高分子敏感材料有機高分子敏感材料v有機敏感材

5、料具有的優(yōu)點是：v容易加工，容易做成均勻大面積材料；v設(shè)計、合成新結(jié)構(gòu)分子的自由度大，從而帶來了敏感材料的多樣性；v可實現(xiàn)在無機敏感材料中難以達(dá)到的識別功能。2.1.3有機高分子敏感材料有機高分子敏感材料v 2.1.4.1有機敏感材料的種類和特性有機敏感材料的種類和特性有機敏感材料有機敏感材料2.1.4.1有機敏感材料的種類和特性利用有機材料的敏感元件利用有機材料的敏感元件2.1.4 有機高分子敏感材料有機高分子敏感材料v 有機高分子濕敏材料有機高分子濕敏材料v 有機高分子氣敏材料有機高分子氣敏材料v 有機高分子壓電材料有機高分子壓電材料2.1.5 磁性材料磁性材料真空中的磁通量與外加磁場強度

6、成正比：其中，M是每單位體積的磁偶極矩或磁化強度， 為相對磁導(dǎo)率。 HB0 HMHBr00)( rv磁性材料可以被用做將磁通量限定在確定的體積范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)元器件。v此外，在傳感器中，可用于檢測一些磁參量，此時被檢測的磁參量能改變另一些物理特性，如磁敏電阻的電導(dǎo)率；還可用于檢測能改變磁特性的一些物理量，如溫度和機械應(yīng)力等。2.2 傳感器的加工工藝傳感器的加工工藝v 2.2.1結(jié)構(gòu)型傳感器的加工工藝結(jié)構(gòu)型傳感器的加工工藝應(yīng)用不同的加工方法所能得到的加工精度應(yīng)用不同的加工方法所能得到的加工精度2.2.1結(jié)構(gòu)型傳感器的加工工藝懸臂梁式稱重傳感器懸臂梁式稱重傳感器2.2.1結(jié)構(gòu)型傳感器的加工工藝1彈性體

7、的加工和處理彈性體的加工和處理2應(yīng)變計的粘貼與固化應(yīng)變計的粘貼與固化3組橋、布線衛(wèi)性能檢查組橋、布線衛(wèi)性能檢查4傳感器的性能補償與老化傳感器的性能補償與老化5防潮密封工藝防潮密封工藝6性能檢測和標(biāo)定工藝性能檢測和標(biāo)定工藝2.2.1結(jié)構(gòu)型傳感器的加工工藝電阻應(yīng)變式傳感器的防護(hù)密封結(jié)構(gòu)示意圖電阻應(yīng)變式傳感器的防護(hù)密封結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2微機械加工工藝微機械加工工藝v 2.2.2.1微傳感器與微機電系統(tǒng)微傳感器與微機電系統(tǒng)MEMS所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域2.2.2.1微傳感器與微機電系統(tǒng)MEMS的應(yīng)用的應(yīng)用微機械加工工藝微機械加工工藝v 傳統(tǒng)超精密與特種加工技術(shù)傳統(tǒng)超精密與特種加工技術(shù)v

8、 超精密機械加工超精密機械加工v 微鉆孔加工微鉆孔加工v 微銑削加工微銑削加工v 微細(xì)磨削（超精密磨削）微細(xì)磨削（超精密磨削）v 微細(xì)電火花加工微細(xì)電火花加工傳統(tǒng)超精密與特種加工技術(shù)線電極電火花磨削法原理示意 采用線電極電火花磨削加工的微結(jié)構(gòu) 2.2.2微機械加工工藝微機械加工工藝v 高能束微機械加工技術(shù)高能束微機械加工技術(shù)v 激光束加工激光束加工v 電子束加工電子束加工電子束加工電子束加工激光束加工示意激光束加工示意熱型電子束加工示意熱型電子束加工示意2.2.2微機械加工工藝微機械加工工藝非熱型電子束加工示意非熱型電子束加工示意v離子束加工v離子束加工的基本原理是將聚焦后的離子束用電場加速，

9、使其達(dá)到高能量狀態(tài)去撞擊工件，使材料表面的原子獲得動能，從工件本體上分離，實現(xiàn)加工目的。離子束加工主要應(yīng)用于微機械加工、濺射加工和注入加工。離子束加工適用于各種金屬材料的切割、焊接、熱處理，還可進(jìn)行工件表表面強化、等離子弧堆焊及噴涂。2.2.2微機械加工工藝微機械加工工藝v 2.2.2.4微機電系統(tǒng)常用的集成電路工藝微機電系統(tǒng)常用的集成電路工藝v薄膜成形薄膜成形1. 氧化氧化濕氧氧化法示意濕氧氧化法示意2.2.2.4微機電系統(tǒng)常用的集成電路工藝v 金屬化金屬化真空蒸鍍法示意真空蒸鍍法示意 濺射法示意濺射法示意 2.2.2.4微機電系統(tǒng)常用的集成電路工藝v 化學(xué)氣相淀積化學(xué)氣相淀積常壓化學(xué)氣相工藝裝常壓化學(xué)氣相工藝裝置的示意置的示意等離子化學(xué)氣等離子化學(xué)氣相工藝裝置的示意相工藝裝置的示意2.2.2.4微機電系統(tǒng)常用的集成電路工藝v 外延外延v 旋涂法旋涂法v厚膜工藝厚膜工藝厚膜壓力傳感器工藝流程示意圖厚膜壓力傳感器工藝流程示意圖 2.2.2.4微機電系統(tǒng)常用的集成電路工藝v摻雜技術(shù)摻雜技術(shù)v 擴(kuò)散雜質(zhì)擴(kuò)散雜質(zhì)v 離子注入離子注入圖圖 2 26 離子注入機示意圖離子注入機示意圖2.2.2.4微機電系統(tǒng)常用的集成電路工藝