材料传感器:传感器材料

2021/11/01 11:05 · 传感器知识资讯 ·  · 材料传感器:传感器材料已关闭评论
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传感器材料
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传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料四大类。
中文名
传感器材料
分 类
四大类
材 料
主要是硅
用 于
用于制造力敏
半导体传感器主要是硅材料,其次是锗、砷化镓、锑化铟、碲化铅、硫化镉等。主要用于制造力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器。陶瓷传感器材料主要有氧化铁、氧化锡、氧化锌、氧化锆、氧化钛、氧化铝、钛酸钡等,用于制造气敏、湿敏、热敏、红外敏、离子敏等传感器。金属用作传感器的功能材料不如半导体和陶瓷材料广泛,主要用在机械传感器和电磁传感器中,用到的材料有铂、铜、铝、金、银、钴合金等。有机材料用于传感器还处在开发阶段,主要用于力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器,所用材料有高分子电解质、吸湿树脂、高分子膜、有机半导体聚咪唑、酶膜等。

材料传感器:常用金属传感器材料整理大全

  在新型传感器的开发过程中,通常考虑从以下三方面人手:
  ①挖掘现有材料的新效应、新现象或新反应;
  ②随着新材料的问世,重新利用早期发现的各种效应(包括各种物理效应,见下表)、现象或反应;
  ③伴随新材料的出现,利用新发现的各种新效应、新现象或新反应。由此可见,传感器的开发从某种意义上讲就是对传感器材料的开发。因此,传感器材料技术的提高是传感器技术发展的关键。了解传感器的材料对于科研及工程技术人员是非常必要的,今天传感器专家网为大家着重介绍常用的金属传感器材料。
  弹性合金
  常用的弹性合金有两大类:高弹性合金和恒弹性合金。
  铜基高弹性合金是最早得到应用的,如黄铜、磷青铜、钛青铜和铍青铜等。铜基合金由于耐髙温、耐腐蚀等性能差,往往不能适应传感器的进一步要求,因而在一些场合以铁基和镍基高弹性合金逐渐取代铍青铜作为弹性元件。有代表性的如蒙乃尔合金等。它们具有弹性高、滞后小、耐腐蚀等特点。
  由于髙弹性合金的弹性模量E随着温度变化而有明显的改变,从而带来温度误差,所以目前普遍采用恒弹性合金作为测压敏感元件。恒弹性合金在一定的温度范围内,它的弹性模量温度系数很小,一般为±10×1010^-6/℃。有代表性的如:Ni42CrTiAl,我国代号为3J53,国外代号为Ni-Span-C。这种材料在-60?+ 100 ℃的温度范围内,基本上是恒定的。
  更理想的髙温弹性合金是铌基合金等。它的特点是:无磁性,磁导率均为10^-6数量级;恒弹性,弹性模量温度系数低,在700℃时尽仍可保持为(1?2) ×10^-6;弹性模量低,一般E值均在1.1× 10^10 Pa左右,这对传感器的设计和使用很重要,由铌基合金制成的弹性敏感元件,在同样的载荷下,可得更大的弹性变形,有利于传感器灵敏度的提高;强度高;耐腐蚀性能好。
  弹性元件材料要同时满足上述所有要求,在客观上是困难的,因此只能根据传感器的使用条件综合考虑。
  特殊合金材料
  1.铝、铜及钛合金
  随着传感器的结构形式、工作介质及量程不同,传感器弹性元件材料还可选用如:铝合金(弹性模量为钢的1/3,但弹性模量的温度系数为钢的2倍,做出的传感器滞后较大)、铜合金及钛合金(弹性模量比钢约小一半,但弹性模量的温度系数大)等。下表列出了部分铝、铜及钛合金材料。
表 部分铝、铜及钛合金弹性元件材料
  此外,在某些特殊条件下,还选用具有高内耗特性的锰铜。在循环应力的作用下,锰铜能吸收谐振的能量而有效地减小噪声及内部应力,对于要求较高动态响应特性的传感器比较有利。
  2.银基合金
  铌基合金主要是Nb-Ti及Nb-Zr合金,具有无磁、耐蚀、弹性模量低、弹性限高及滞后小等一系列优良的综合特性,已在一些特殊性能要求的传感器中得到应用。较典型的铌基合金N b35-Ti42Al5?5. 5的性能如下:
  ①高温弹性稳定。
  ②弹性限高、滞后小。冷轧状态合金存在位错,但时效后有很高的弹性限,时效弹性模量的影响较小。
  ③抗氧化、耐腐蚀。
  ④其余性能。
  由此可知,铌基合金的弹性在室温下比较低模量的铍青铜稍优,高温则优于铍青铜。尤其是阻尼波形,铌基合金在20?250℃内无变化,而铍青铜在>180℃时产生明显畸变。此外,与常用的恒弹合金如3J53相比,铌基合金的使用温度也较高。由于其弹性模量较3J53低,故输出灵敏度高。
  国外常用金属材料
  国外传感器弹性敏感元件材料,主要使用的是合金结构钢。英、美、德和瑞士等国多用中碳镍铬钢;俄罗斯较普遍的是用中碳铬锰硅钢;在俄罗斯和匈牙利等国也有用弹簧钢的,特殊条件下,也使用铁-镇恒弹合金;法国则很注意耐腐蚀性能,常选用价格较贵的析出硬化性不锈钢,也有选用髙速工具钢的。

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材料传感器:气敏传感器

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气敏传感器
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气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器,它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大, 又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求:能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度,能长期稳定工作,重复性好,响应速度快,共存物质所产生的影响小等。
[1]
中文名
气敏传感器
外文名
gas sensor
目 的
检测气体浓度和成分
领 域
硬件
目录
1
概述
2
工作原理
3
分类
4
应用
气敏传感器概述
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语音
气敏传感器的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
[1]
气敏传感器工作原理
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语音
声波器件表面的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用,或者是物理吸附),使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同,膜层质量和导电率变化程度亦不同,即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。
[1]
气敏传感器分类
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语音
1970年,荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管,标志着离子敏半导体传感器的诞生。半导体传感器以其易于实现集成化,微型化、灵敏度高等诸多优点,一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。由于电子技术的飞速发展,以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料,在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化,通过检测这些物理特性的变化,即可反映被测参数值。它与各种结构型传感器相比,具有如下特点:由于传感器原理是基于物理变化的,因而没有相对运动部件,可以做到结构简单,微型化;灵敏度高,动态性能好,输出为电量;采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化,智能化;功耗低,安全可靠。同时,半导体传感器也存在以下一些缺点:线性范围窄,在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路;与所有半导体元件一样,输出特性易受温度影响而漂移,所以应采用补偿措施;性能参数离散性大。虽然存在上述问题,但半导体传感器仍是传感器发展的重要方向,尤其是大规模集成电路技术的不断发展,半导体传感器的技术也日臻完善。从所使用的材料来看,凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器,如,霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。有些内容与其他传感器互相交叉,已在其它章中介绍。本章主要介绍气敏、湿敏、磁敏、色敏和离子敏半导体式传感器。
[2]
气敏传感器应用
编辑
语音
气敏传感器的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、监控、报警还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 由于气体种类繁多, 性质各不相同不可能用一种传感器检测所有类别的气体因此能实现气-电转换的传感器种类很多按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。实际使用最多的是半导体气敏传感器因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时,产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部,可分为表面控制型和体控制型,前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受,结果使半导体的电导率等物理性质发生变化,但内部化学组成不变,后者半导体与气体的反应,使半导体内部组成发生变化而使电导率变化。 按照半导体变化的物理特性,又可分为电阻型和非电阻型,电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体的成分或浓度厂半导体式气敏元件则是根据气体的吸附和反应,使其某些关系特性发生改变无对气体进行直接或间接的检测,如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。
[2]
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2020-03-110
阅读64
参考资料
1.

祝诗平.传感器与检测技术:北京大学出版社,中国林业出版社,2006年:165
2.

Lang, M.A. (2001). DAN Nitrox Workshop Proceedings. Durham, NC: Divers Alert Network. p. 197. Retrieved 2009-03-20.

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