傳感器用薄膜材料與技術(shù)

1、傳感器用薄膜材料與技術(shù) 孟祥龍傳感器的種類和材料o 接受外部刺激（信號(hào)），如光，電，磁，熱，壓力，濕度，環(huán)境氣氛等，并能在體系內(nèi)變換為可處理信號(hào)的器件。o 傳感器材料傳感器分類工業(yè)用傳感器o 生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程節(jié)省能源與資源前提下，達(dá)到更高的技術(shù)水平，高效率，低成本。o 反應(yīng)靈敏，動(dòng)作快捷外，尤其注重可靠性！需要做到：o 大規(guī)模，復(fù)合化生產(chǎn)系統(tǒng)o 作業(yè)環(huán)境的整體可控性o 超微細(xì)加工過(guò)程控制o 工藝條件向極端環(huán)境領(lǐng)域的擴(kuò)展以及與之相關(guān)的監(jiān)測(cè)與控制o 適應(yīng)環(huán)境與資源變化，確立廣闊領(lǐng)域要求的監(jiān)視系統(tǒng)o 制作并采用高度智能化的機(jī)器人等生物醫(yī)學(xué)用傳感器o 醫(yī)療傳感器o 生物傳感器酶?jìng)鞲衅鳎⑸飩鞲衅鳎?/p>

2、生物反應(yīng)傳感器，免疫傳感器等p 生物傳感器中的關(guān)鍵元件是生物敏感膜，即載有迅速識(shí)別被測(cè)物質(zhì)并與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)膜層。生物敏感膜并不是真正的細(xì)胞膜，它是采用固定化技術(shù)制作的人工膜。生物敏感器的敏感程度及性質(zhì)優(yōu)劣，直接影響著生物傳感器的功能和質(zhì)量。o 生物傳感器的作用原理：待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入固定化生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了信息，進(jìn)而被相應(yīng)的化學(xué)或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大、輸出后，就可知道待測(cè)物質(zhì)濃度。o 例如酶?jìng)鞲衅鳎豪妹傅幕|(zhì)選擇性和選擇性的觸媒功能，以酵素（酶）膜及電極系統(tǒng)為基本構(gòu)成要素。檢測(cè)系統(tǒng)大部分涉及溶液中的過(guò)程：檢測(cè)液中的酵

3、素膜與溶液中基質(zhì)接觸，通過(guò)觸媒反應(yīng)，造成反應(yīng)物質(zhì)的濃度變化，引起溶液中電極系統(tǒng)的電流變化或者電位變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)。o 生物電子學(xué)傳感器生物分子與電子元件相融合的傳感器，如生物芯片。如在FET的柵極表面涂覆離子感應(yīng)酵素膜，從而使其具備了酵素的分子識(shí)別功能小型化，多功能化，智能化生物傳感器優(yōu)點(diǎn) o 測(cè)定范圍廣泛。根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性，理論上可制成測(cè)定所有生物物質(zhì)的傳感器。o 測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)單迅速。這類傳感器主要是在無(wú)試劑無(wú)件下操作（除了緩沖液之外）。因此，較傳統(tǒng)的生物學(xué)和化學(xué)分析法操作簡(jiǎn)便、迅速、準(zhǔn)確，且可重復(fù)使用。o 靈敏度高。由于生物敏感膜分子的高度特異性、靈敏性，故對(duì)一些含量極低的檢測(cè)

4、對(duì)象也能準(zhǔn)確地反應(yīng)出來(lái)。o 可連續(xù)進(jìn)行分析，聯(lián)機(jī)操作。生物傳感器不足o抗干擾性。例如，不同酶的選擇有很大差異，由于生物材料的內(nèi)在特征是無(wú)法改變的，故在這種情況下必須解決如何消除干擾的問(wèn)題?？贵w的專一性可采用單無(wú)性抗體而得到增強(qiáng)。對(duì)專一性好的生物敏感材料可選用普適能量轉(zhuǎn)換器與之匹配。o生物傳感器的工作條件是比較苛刻的。首先，生物敏感物質(zhì)只有在最佳的pH范圍才有最大的活性，因此換能器的特性必須與之匹配。其次，除了少數(shù)酶能短時(shí)間承受高于100高溫外，絕大多數(shù)生物敏感物質(zhì)的工作條件局限于15-40的狹窄溫度范圍內(nèi)。另外，許多生物敏感物質(zhì)只能在短期內(nèi)保持活性，為了延長(zhǎng)生物傳感器的壽命，往往需要特殊的條件

5、，例如在溫度為4的條件下貯存。o生物傳感器的響應(yīng)時(shí)間比單獨(dú)的換能器響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)得多 傳感器與舒適材料薄膜傳感器應(yīng)用舉例o 氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)， 產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型，前者半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變；后者半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻

6、值變化來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度； 非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體的。表11-1為半導(dǎo)體氣敏元件的分類。氣敏傳感器分類 氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對(duì)傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面，往往會(huì)使其性能變差。因此，對(duì)氣敏元件有下列要求：能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快， 共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小等。用半導(dǎo)體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門(mén)的易燃、 易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控

7、制。 p以SNO2氣敏元件為例，它是由0.1-10um的晶體集合而成，這種晶體是作為N型半導(dǎo)體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)遇到離解能較小且易于失去電子的可燃?xì)怏w時(shí)，電子從氣體分子向半導(dǎo)體遷移，半導(dǎo)體的載流子濃度增加，一次電導(dǎo)率增加。而對(duì)于P型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，它的晶格是陽(yáng)離子缺位狀態(tài)，當(dāng)遇到可燃性氣體時(shí)其電導(dǎo)率則減小。 氣敏電阻的溫度特性如圖所示，圖中縱坐標(biāo)為靈敏度，既由于電導(dǎo)率的變化所引起在負(fù)載上所得到的值號(hào)電壓。由曲線可以看出，SNO2在室溫下雖然能吸附氣體，但其電導(dǎo)率變化不大。當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時(shí)需要加溫。薄膜型SnO2器件是在絕緣襯

8、底上采用蒸發(fā)、濺射或化學(xué)氣相淀積等方法制作SnO2敏感膜的。具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度。敏感體的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及與集成電路制造技術(shù)兼容。o 在ZnO 中摻雜Pt、TiO2 等物質(zhì)可以獲得很高的乙醇?xì)怏w檢測(cè)靈敏度和很好的選擇性。對(duì)ZnO 薄膜進(jìn)行TiO2 摻雜，制得的氣敏傳感器對(duì)乙醇?xì)怏w靈敏度高、選擇性好，且響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間也比較短。 o 使用最多的金屬氧化物半導(dǎo)體是二氧化錫。費(fèi)加羅公司已用它制造出20多種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器。其次是二氧化鈦、氧化鋅、氧化鎢和氧化銥等。為了提高氣敏傳感器的靈敏度和選擇性,在金屬氧化物中一般要有意識(shí)地?fù)饺脒m量催化劑,如鈀、鉑或其它合適的金屬氧化

9、物,如氧化鎂、氧化銅等。用得較多的導(dǎo)電聚合物是聚吡咯、聚噻吩、聚吲哚、聚呋喃等。這類微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器十分適合于使用MEMS技術(shù)來(lái)制造濕敏傳感器o 涂覆膜型濕度敏感元件是把感濕粉料（金屬氧化物）調(diào)漿， 涂覆在已制好的梳狀電極或平行電極的滑石瓷、氧化鋁或玻璃等基板上制成的。四氧化三鐵、五氧化二釩及三氧化二鋁等濕敏元件均屬此類。其中比較典型且性能較好的是四氧化三鐵(Fe3O4)濕敏元件。o 涂覆膜型Fe3O4濕敏元件，一般采用滑石瓷作為元件的基片。 在基片上用絲網(wǎng)印刷工藝印刷梳狀金電極。將純凈的黑色Fe3O4膠粒， 用水調(diào)制成適當(dāng)粘度的漿料，然后用筆涂或噴霧在已有金電極的基片上，經(jīng)低溫烘干后，引出電

10、極即可使用。o Fe3O4濕敏元件是能在全濕度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的元件， 并且具有一定的抗污染能力， 體積小。但主要的缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，吸濕過(guò)程(60RH98RH)需要2 min，脫濕過(guò)程(98RH12RH)需57 min， 同時(shí)在工程應(yīng)用中長(zhǎng)期穩(wěn)定性不夠理想。濕敏電阻p 有機(jī)高分子膜濕敏電阻是在氧化鋁等陶瓷基板上設(shè)置梳狀型電極，然后在其表面涂以具有感濕性能，又有導(dǎo)電性能的高分子材料的薄膜，再涂復(fù)一層多孔質(zhì)的高分子膜保護(hù)層。這種濕敏元件是利用水蒸汽附著于感濕薄膜上，電阻值與相對(duì)濕度相對(duì)應(yīng)這一性質(zhì)。由于使用了高分子材料，所以適用于高溫氣體中濕度的測(cè)量。0RH(%)R()201040601010801

11、00120103465圖2.5.5 高分子膜濕敏電阻的結(jié)構(gòu)與特性三氧化二鐵-聚乙二醇高分子膜濕敏電阻的結(jié)構(gòu)與特性。熱釋電型紅外線傳感器o 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如作電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)覽測(cè)等。 o HgCdTe紅外傳感器利用光伏效應(yīng)，需要冷卻，電阻變化的熱敏電阻相比，熱釋電型紅外傳感器在靈敏度，響應(yīng)時(shí)間，信噪比等方面優(yōu)勢(shì)明顯。廣泛用于非接觸式溫度計(jì)等。對(duì)熱釋電材料要求o 熱釋電系數(shù)（單位溫度變化引起表面電荷的變化）要大o 體積比熱要小o 相對(duì)介電常數(shù)要大o 介電損耗要小o 常用材料：PZT，PLT，LiTaO3等o 例如PLT的薄膜制備采用高頻磁控濺射，成膜和退火交替進(jìn)行，采用間歇成膜操作。MgO基板上形成PLT薄膜，然后涂布聚酰亞胺，開(kāi)導(dǎo)體連接用通孔，形成NiCr電極，再涂涂布聚酰亞胺