生物醫(yī)學(xué)傳感器課件

1、12.4 彈性敏感元件 作用： 把物理量轉(zhuǎn)換為電量，是傳感器中 的主要元件。 必備兩個(gè)基本功能： 敏感被測(cè)量（物理量、化學(xué)量） 對(duì)應(yīng)產(chǎn)生輸出量（電量）2彈性敏感元件的作用： 彈性元件的兩種類(lèi)型： 彈性敏感元件：感受力、壓力、力矩等變換為元件本身的應(yīng)變、位移等； 彈性支承：起支承導(dǎo)向作用，不作為測(cè)量敏 感元件。32.4.1.彈性特性： 作用在彈性元件上的外力與其相應(yīng)變形間的關(guān)系。如圖(1).剛度：彈性元件受外力作用下變形大小的量度。 F 作用外力 X 變形彈性特性曲線上某點(diǎn)切線水平線夾角的正切為該點(diǎn)的剛度。 4 串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度為： 靈敏度高，剛度小 并聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度為： 靈敏度低，剛度

2、大(2).靈敏度： 單位力產(chǎn)生變形的大小，是剛度的倒數(shù)。52.4.2 彈性滯后和彈性后效(1).彈性滯后：彈性特性曲線的加載曲線與去載曲線不重合的現(xiàn)象。如圖2.28所示。滯后誤差：彈性變形之差，直接產(chǎn)生測(cè)量誤差。62.彈性后效：當(dāng)載荷改變后，在一定時(shí)間間隔逐漸完成變形的現(xiàn)象。如圖2.29所示。 彈性后效現(xiàn)象使彈性敏感元件的變形始終不能迅速跟隨作用力的改變而改變，造成測(cè)量誤差，尤其在動(dòng)態(tài)測(cè)量中影響較大。 7所以 提高靈敏度K ，會(huì)使線性變差，固有振動(dòng)頻率 、 。提高 、 ，靈敏度K會(huì)降低，需綜合考慮。 2.4.3.固有振動(dòng)頻率:由振動(dòng)質(zhì)量和材料剛度綜合表征的彈性元件特征。決定彈性元件的動(dòng)態(tài)特性和

3、變換被測(cè)參數(shù)的滯后作用，希望 （或 ）高。 k 彈簧剛度因?yàn)?me 等效振動(dòng)質(zhì)量 10壓力變換彈性元件：如圖3-31所示彈簧管：高壓測(cè)量薄壁圓筒：均勻應(yīng)力，熱慣性小。力或應(yīng)力彈性變換元件：如圖3-32所示 平面膜片：適于大量程 波紋膜片：適于小量程，靈敏度高 波紋管： 靈敏度最高 （相當(dāng)于串聯(lián)系統(tǒng)）112.4.5 常用敏感元件的形式及原理12壓磁效應(yīng)：材料受壓力時(shí)，作用力方向磁導(dǎo)率減小，作用力垂直方向，略有增大。受拉力時(shí)，效果相反； 作用力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原。壓電效應(yīng):某些電介后物質(zhì)在一定方向上受外力作用，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷，外力去掉重回到不帶電狀態(tài)。 機(jī)械能電能。熱電效應(yīng)（塞見(jiàn)克

4、效應(yīng)）： 兩種不同導(dǎo)體組成閉合回路，如兩接點(diǎn)溫度不同，回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，有電流流過(guò)。關(guān)于上表中幾種效應(yīng)的解釋16 2）多晶硅 多晶硅是許多單晶（晶粒）的聚合物，這些晶粒的排列是無(wú)序的。不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)都具有單晶的特征。晶粒大小對(duì)壓阻效應(yīng)也有一定形響，晶粒越大，壓阻效應(yīng)越大，即應(yīng)變靈敏系數(shù)越大（單晶情況下為最大）。多晶硅壓阻膜與單晶硅壓阻膜相比，其優(yōu)點(diǎn)是可在不同襯底材料上制作。如金屬材料襯底，而制備過(guò)程與常規(guī)半導(dǎo)體工藝相容，且無(wú)PN結(jié)隔離問(wèn)題，因而有良好的溫度穩(wěn)定性。多晶硅壓阻膜的應(yīng)變靈敏系數(shù)雖比單晶硅膜低但仍比金屬高一個(gè)數(shù)量級(jí)。用多晶硅壓阻膜可有效抑制傳感器的溫漂，是制

5、造低溫漂傳感器的好材料。17（2）化合物半導(dǎo)體 大多數(shù)化合物半導(dǎo)體具有類(lèi)似于單元素半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電特性其優(yōu)點(diǎn)是具有較寬的禁帶范圍和遷移率。 CaAs（砷化鎵）、InP(磷化銦）、GaP（磷化鎵）應(yīng)用很廣，是微波、光電器件的主要材料； InSb、InAs的禁帶窄，電子遷移率高，主要用于制造紅外器件及霍耳器件。利用金屬氧化物的半導(dǎo)體性質(zhì)可作為溫度、濕度或氣體敏感元件材料18（3）非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體有容易薄膜化、對(duì)可見(jiàn)光的光吸收系數(shù)大、禁帶寬區(qū)可控制的特點(diǎn)，可作為光敏元件材料。同時(shí)，由于淀積溫度低（200300），可使用多種材料作襯底，并可大面積淀積，適用于制造薄膜式傳感器，用以感受壓力分布和識(shí)別形狀。具有種種特異現(xiàn)象（光誘導(dǎo)晶化和結(jié)構(gòu)變化、光摻雜、開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)），已開(kāi)發(fā)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)器件、大陽(yáng)能電池及光電導(dǎo)器件。19 （4）硅藍(lán)寶石 硅藍(lán)寶石材料是在藍(lán)寶石襯底上應(yīng)用外延生長(zhǎng)技術(shù)形成的硅薄膜。由于襯底是絕緣體，可以實(shí)現(xiàn)元件間的分離，且寄生電容小，可工作在較高的溫度下（300）。藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度是體形硅的2倍多，蠕變極小，優(yōu)于單晶，且耐輻射，耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好。23 （3）半導(dǎo)體陶瓷