敏感材料1-2答案

1、頁眉敏感材料與傳感器作業(yè)（1、 2 次合并）1. 解釋：傳感器、傳感器技術(shù)、敏感材料、磁阻效應(yīng)、雙金屬敏感元件、 LB 膜、 SA 膜、形變規(guī)、約瑟夫遜 (Josephson)效應(yīng)、色譜法、形狀記憶現(xiàn)象、陶瓷材料、壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、空穴、有效質(zhì)量、壓阻效應(yīng)（1）傳感器：能感受被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成。（ 2）傳感器技術(shù)：是一個匯聚物理、化學(xué)、材料、器件、機(jī)械、電子、生物工程等多類型交叉學(xué)科， 涉及傳感檢測原理、 傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器開發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù)。（ 3）敏感材料：是指對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測量的微小變化而表現(xiàn)出

2、性能明顯改變的功能材料。（ 4）磁阻效應(yīng)：物質(zhì)在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。（ 5）雙金屬敏感元件：是將熱膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片貼合而成的敏感元件。（ 6）LB 膜：將含有親水基和疏水基的兩性分子在水面上形成的一個分子層厚度的膜（即單分子膜） ，以一定的方式累積到基板上的技術(shù)。（ 7）SA 膜：具有一定功能特性的分子通過化學(xué)鍵作用自發(fā)吸附在固 /液或氣 /固界面而形成的熱力學(xué)穩(wěn)定和能量較低的有序膜。（ 8）形變規(guī)：利用物質(zhì)因受力而使其電阻發(fā)生變化的敏感元件。（ 9）約瑟夫遜 (Josephson)效應(yīng)：在兩超導(dǎo)體間插入納米量級的1/13頁眉絕緣體，超導(dǎo)電流會從一塊超導(dǎo)體無阻通過絕緣層到另一塊超

3、導(dǎo)體。（ 10）色譜法：使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配 ,其中一相是不動的 ( 固定相 ),另一相 (流動相 )攜帶混合物流過此固定相 ,與固定相發(fā)生作用 ,在同一推動力下 ,不同組分在固定相中滯留的時間不同 ,依次從固定相中流出 ,又稱色層法 ,層析法。（ 11）形狀記憶現(xiàn)象： 在點(diǎn) Ms 生成的馬氏體在溫度降低的同時慢慢成長。若消除來自馬氏體相變狀態(tài)的晶體應(yīng)力，且又加熱，則馬氏體產(chǎn)生與相變時相反的晶格剪切， 從而返回原來的晶體結(jié)構(gòu)。（ 12）陶瓷材料：利用陶瓷的物理性質(zhì)對力、電、磁、熱、光等的敏感特性可以制成種類繁多的陶瓷功能材料。（ 13）壓電效應(yīng)： 某些物質(zhì)在特定方向施加應(yīng)力發(fā)生形變

4、就會產(chǎn)生電荷，反之，若施加電壓則會產(chǎn)生機(jī)械形變的現(xiàn)象。（ 14）熱釋電效應(yīng)： 隨著溫度的變化， 晶體因結(jié)構(gòu)上的變化導(dǎo)致電荷中心相對位移， 而發(fā)生自發(fā)極化， 從而在其兩表面產(chǎn)生異號的束縛電荷的現(xiàn)象。（ 15）空穴：共價鍵中的一些價電子由于熱運(yùn)動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成為自由電子，同時在共價鍵上留下空位，稱這些空位為空穴。（ 16）有效質(zhì)量： 并不代表正真的質(zhì)量， 而是代表能帶中電子或空穴受到外力時， 外力與加速度的系數(shù)， 它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢2/13頁眉場的作用。（ 17）壓阻效應(yīng)：應(yīng)力的作用下半導(dǎo)體晶體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變載流子遷移率和載流子密度的。2. 傳感器技術(shù)的發(fā)展動

5、向表現(xiàn)在哪幾個方面？傳感器的發(fā)展方向表現(xiàn)在哪幾個方面？（1）傳感器技術(shù)發(fā)展動向：新效應(yīng)，新材料、新功能的開發(fā)應(yīng)用。微機(jī)械加工工藝的發(fā)展。傳感器的多功能化發(fā)展。研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。（ 2）傳感器發(fā)展的方向：傳感器的多功能化、集成化、數(shù)字化、智能化和高精度。3. 信息技術(shù)的三大支柱技術(shù)是哪些？分別具有什么作用？傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感器技術(shù)作用采集信息，通信技術(shù)的作用是傳輸信息， 計(jì)算機(jī)技術(shù)是處理信息。4. 傳感器研究的基本思路是怎樣的？（ 1） 敏感材料機(jī)理研究（ 2） 選擇合適的敏感材料（ 3） 設(shè)計(jì)合適的傳感功能結(jié)果（ 4） 傳感器制備工藝研究（ 5） 傳感器性能測試

6、（ 6） 后端信號處理電路研究和傳感器應(yīng)用研究3/13頁眉5. 傳感器的基本構(gòu)成型式有哪幾種？試畫圖并簡要說明各自的特點(diǎn)。自源型，激勵源型，外源型，三種補(bǔ)償型。自源型：（a）不需要外能源； (b) 其傳感元件具有從被測對象直接吸取能量 ,并轉(zhuǎn)換成電量電效應(yīng)； (c)輸出能量較大。激勵源型： 需要使用磁鐵等輔助能源對傳感器進(jìn)行激勵，從而獲得輸出信號。外源型：它必須通過帶外電源的變換電路，才能獲得輸出信號。三種補(bǔ)償性：（1） 相同傳感器的補(bǔ)償型：使用兩個原理和特性一樣的敏感元4/13頁眉件，其中一個接受輸入信號和環(huán)境影響， 另一個只接受環(huán)境影響，通過電路，利用后者消除前者的環(huán)境干擾影響。（ 2）

7、差動結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型： 采用了兩個原理和特性完全相同的轉(zhuǎn)換元件，同時接收被測輸入量，并置于同一環(huán)境中，巧妙的是，兩個轉(zhuǎn)換元件對被測輸入量作反向轉(zhuǎn)換，對環(huán)境干擾量作同向轉(zhuǎn)換，通過變換（測量）電路使有用輸出量增加，干擾量相消。（3） 不同傳感器的補(bǔ)償型：其中一個接受信號，并已知其受環(huán)境影響的特性， 另一個接受環(huán)境影響量， 并通過電路向前者提供等效的抵消環(huán)境影響的補(bǔ)償信號。5/13頁眉6. 磁阻效應(yīng)有哪兩類？它們有什么區(qū)別？可分為物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)。物理磁阻效應(yīng)是指長方形半導(dǎo)體片收到與電流方向垂直的磁場作用時所產(chǎn)生的電流密度下降，電阻率增大的現(xiàn)象；幾何磁阻效應(yīng)是指在相同磁場作用下，由于半導(dǎo)體片幾何

8、形狀的不同而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象，幾何磁阻效應(yīng)又稱為形狀效應(yīng)。 （書上）可分為基于霍爾效應(yīng)的普通磁阻效應(yīng)和強(qiáng)磁性體中各向異性磁阻效應(yīng)。區(qū)別：基于霍爾效應(yīng)的磁阻效應(yīng)使沿外加電場方向運(yùn)動的載流子數(shù)量減小， 電阻增大， 表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)；而各向異性磁阻效應(yīng)則是外加磁場偏離內(nèi)磁場方向時，電阻減小，若外加磁場方向平行于內(nèi)磁體磁化方向時，電阻幾乎不隨外磁場變化。（ ppt 上）7. 常見的金屬熱敏電阻有哪些？鉑、銅、鐵和鎳8. 磁致伸縮產(chǎn)生的原因有哪些？磁偶極矩變化而產(chǎn)生晶格離子位置的偏移，磁彈性結(jié)合能變化引起晶格離子位置的偏移，以及由自旋引起的傳導(dǎo)電子云分布的變化等。9. 約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條

9、件是哪三個？臨界溫度（ Tc）、臨界磁場（ Hc）、臨界電流 JC10. 簡述化學(xué)敏感元件的基本工作機(jī)制。6/13頁眉11. 簡述氧化物半導(dǎo)體在氣敏元件中的應(yīng)用。氧化物半導(dǎo)體上吸附氧后測量吸附熱、伴隨吸附的電導(dǎo)率變化、功函數(shù)的變化等，可以為氣敏元件探測氧的含量提供依據(jù)。12. 描述陶瓷材料中熱敏電阻的分類，并給出每種類型熱敏電阻的代表性材料。（1） NTC 熱敏電阻是具有隨溫度升高而電阻指數(shù)減小的負(fù)溫度系數(shù)的元件。 大部分 NTC 熱敏電阻材料是 Fe、Ni 、Co、Mn等過渡金屬氧化物，多數(shù)情況下是由具有尖晶石型、巖鹽型、黑錳礦型、方鐵錳礦型等晶型的化合物或其混合物組成的。（ 2） PTC

10、熱敏電阻是在某一溫度范圍內(nèi)其電阻呈非線性顯著增加，且整體具有正的溫度系數(shù)的元件。 PTC 材料目前采用的是鈦酸鋇（ BaTiO3 ）系半導(dǎo)體。（ 3） CTR 熱敏電阻是驟變熱敏電阻或臨界熱敏電阻，代表材料是 VO2 系材料。7/13頁眉13. 請畫出壓電陶瓷的制備工藝流程圖。14. 試比較物理吸附與化學(xué)吸附的差異。15. 試簡述金屬氧化物陶瓷材料敏感機(jī)理？并以此說明n 或 p 型金屬氧化物材料中吸附氣體性氣體和還原性氣體后，其導(dǎo)電率分別發(fā)生怎樣的變化？吸附分子與固體相互作用（電子授受）的結(jié)果往往被離化。如果吸附分子的分子軌道的最高被占能級在固體空的能級之上，則產(chǎn)生由吸附分子到固體表面的電子躍

11、遷，吸附分子帶正電荷。反之，如果分子有空的能級在固體的費(fèi)米能級以下，則吸附分子接受電子，帶負(fù)電荷。因此表面電導(dǎo)發(fā)生8/13頁眉大的變化。n 型半導(dǎo)體吸附還原性氣體時，還原性氣體將電子交給半導(dǎo)體，而以正電荷與半導(dǎo)體相吸著， 進(jìn)入 n 型半導(dǎo)體內(nèi)的電子，束縛其少數(shù)載流子的空穴，使空穴與導(dǎo)帶上參與導(dǎo)電的自由電子復(fù)合幾率減少，這實(shí)際上是加強(qiáng)了導(dǎo)電能力，因而減少了元件的電阻值。與此相反，若n 型半導(dǎo)體吸附氧化性氣體時，氣體以負(fù)離子形式吸著，而將空穴給予半導(dǎo)體，其結(jié)束是使導(dǎo)帶電子數(shù)目減少，而使元件電阻值增加。P 型半導(dǎo)體與 n 型半導(dǎo)體變化相反。16. 陶瓷材料有哪四種極化機(jī)制？（1）電子極化 （由原子內(nèi)

12、的電子與核的相對位置的變化而產(chǎn)生的極化）；（2）離子極化（在離子性化合物中，由于正、負(fù)離子的重心偏移而產(chǎn)生的極化） ；（3）定向極化（由于對偶極矩電場取穩(wěn)定方向而產(chǎn)生的極化）；（4）空間電荷（界面）極化（在多晶等不均勻電介質(zhì)中，由于電荷載體聚集在特定空間或界面而產(chǎn)生的極化） 。17. 壓電陶瓷與壓電晶體的壓電機(jī)理有何區(qū)別？壓電陶瓷需要經(jīng)過極化之后才具有壓電效應(yīng)，而壓電晶體本身就具有壓電效應(yīng)。18. 基于熱釋電效應(yīng)的紅外敏感材料應(yīng)該滿足什么要求？9/13頁眉（ 1）充分吸收入射的紅外線。（ 2）為了使與吸收的熱能相對應(yīng)的溫度上升的幅度大， 應(yīng)該使用體積比熱小，微型化或薄膜化的材料。（ 3）與溫度

13、升高相對應(yīng)的表面電荷變化大，即熱電系數(shù)=dPr/dT 大。當(dāng)室溫的 Pr（剩余極化） 大，且 Tc（居里溫度）適當(dāng)高時， 變大。 Tc 一低就大， 但使用溫度受到限制，且隨溫度變化變大。（ 4）與表面電荷變化相應(yīng)的電容小，且可產(chǎn)生大的電壓。（ 5）作為噪聲源之一的 tan 小。19. 在 32 種晶體點(diǎn)群中， 有多少種具有壓電效應(yīng)， 又有多少種具有熱釋電效應(yīng)？（補(bǔ)充說明：在 32 個晶體點(diǎn)群（見晶體的對稱性）中有 11 個具有對稱中心；有對稱中心的晶體壓電張量的所有分量均等于零，它們都不是壓電體。屬于點(diǎn)群432 的晶體雖無對稱中心，但其對稱性較高，也沒有壓電性。）20 種晶體點(diǎn)群具有壓電效應(yīng)，

14、 10 種具有單一極軸的晶體點(diǎn)群具有熱釋電效應(yīng)20. 簡述鐵電體與壓電體和熱釋電體關(guān)系。鐵電體必然具有壓電性和熱釋電性；具有熱釋電性的晶體，必定具有壓電性，但并不一定具有鐵電性；壓電晶體比如水晶、鍺酸鉍等不具有熱釋電性和鐵電性。當(dāng)然，談到某種具體是用于壓電體還是鐵電體， 不能離開具10/13頁眉體的溫度條件，只有在鐵電居里點(diǎn)以下，晶體才會呈現(xiàn)鐵電性21. 試?yán)e 3-4 個半導(dǎo)體的重要特性。溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降（NTC ）微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力(摻雜效應(yīng) )適當(dāng)波長的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力(光電效應(yīng) )導(dǎo)電能力還隨電場、磁場等的作用而改變(霍爾效應(yīng)等

15、 )22. 簡述半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)與溫度的依賴關(guān)系。（1）半導(dǎo)體中的電子遷移率的溫度依賴性（硅）在高溫側(cè)遷移率下降是由于晶格振動產(chǎn)生的散射引起的，低溫側(cè)遷移率下降是雜質(zhì)散射引起的。對于施主濃度高的樣品遷移率整體變小，且很快移向低溫區(qū)。（2） n 型半導(dǎo)體的傳導(dǎo)電子密度的溫度依賴關(guān)系高溫側(cè)，載流子密度以exp(Eg/2kT) 的斜率成指數(shù)地劇增，而在低溫側(cè)，由施主雜質(zhì)提供的傳導(dǎo)電子隨溫度的增加而增加；中溫區(qū)，不變。（3）費(fèi)米能級的溫度依賴關(guān)系11/13頁眉在低溫下費(fèi)米能級靠近施主能級， 但在高溫下移到帶隙中央附近，且傳導(dǎo)電子和價帶空穴幾乎以等密度激發(fā)。23. 高分子材料的基本性質(zhì)有哪些？高聚物分子量大。高聚物的分子量具有多分散性。高聚物分子的空間結(jié)構(gòu)排列復(fù)雜。一般高分子材料都有比重小、強(qiáng)度大、 電絕緣性能好、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)。24. 與無機(jī)敏感材料相比，有機(jī)敏感材料有哪些優(yōu)點(diǎn)？（ 1）容易加工、容易做成均勻大面積材料；（ 2）設(shè)計(jì)、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；（3）可實(shí)現(xiàn)在無機(jī)敏感材料中