敏感材料1-2答案解析

《敏感材料与传感器》作业（1、2次合并）1.解释：传感器、传感器技术、敏感材料、磁阻效应、双金属敏感元件、LB膜、SA膜、形变规、约瑟夫逊(Josephson)效应、色谱法、形状记忆现象、陶瓷材料、压电效应、热释电效应、空穴、有效质量、压阻效应（1）传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换电路组成。（2）传感器技术：是一个汇聚物理、化学、材料、器件、机械、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。（3）敏感材料：是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。（4）磁阻效应：物质在磁场中电阻发生变化的现象。（5）双金属敏感元件：是将热膨胀系数不同的两种金属片贴合而成的敏感元件。（6）LB膜：将含有亲水基和疏水基的两性分子在水面上形成的一个分子层厚度的膜（即单分子膜），以一定的方式累积到基板上的技术。（7）SA膜：具有一定功能特性的分子通过化学键作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量较低的有序膜。（8）形变规：利用物质因受力而使其电阻发生变化的敏感元件。（9）约瑟夫逊(Josephson)效应：在两超导体间插入纳米量级的绝缘体，超导电流会从一块超导体无阻通过绝缘层到另一块超导体。（10）色谱法：使混合物中各组分在两相间进行分配,其中一相是不动的(固定相),另一相(流动相)携带混合物流过此固定相,与固定相发生作用,在同一推动力下,不同组分在固定相中滞留的时间不同,依次从固定相中流出,又称色层法,层析法。（11）形状记忆现象：在点Ms生成的马氏体在温度降低的同时慢慢成长。若消除来自马氏体相变状态的晶体应力，且又加热，则马氏体产生与相变时相反的晶格剪切，从而返回原来的晶体结构。（12）陶瓷材料：利用陶瓷的物理性质对力、电、磁、热、光等的敏感特性可以制成种类繁多的陶瓷功能材料。（13）压电效应：某些物质在特定方向施加应力发生形变就会产生电荷，反之，若施加电压则会产生机械形变的现象。（14）热释电效应：随着温度的变化，晶体因结构上的变化导致电荷中心相对位移，而发生自发极化，从而在其两表面产生异号的束缚电荷的现象。（15）空穴：共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，称这些空位为空穴。（16）有效质量：并不代表正真的质量，而是代表能带中电子或空穴受到外力时，外力与加速度的系数，它概括了半导体内部势场的作用。（17）压阻效应：应力的作用下半导体晶体的能带结构发生变化，从而改变载流子迁移率和载流子密度的。2.传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？传感器的发展方向表现在哪几个方面？（1）传感器技术发展动向：新效应，新材料、新功能的开发应用。微机械加工工艺的发展。传感器的多功能化发展。研究生物感官，开发仿生传感器。（2）传感器发展的方向：传感器的多功能化、集成化、数字化、智能化和高精度。3.信息技术的三大支柱技术是哪些？分别具有什么作用？传感器技术、通信技术、计算机技术。传感器技术作用采集信息，通信技术的作用是传输信息，计算机技术是处理信息。4.传感器研究的基本思路是怎样的？（1）敏感材料机理研究（2）选择合适的敏感材料（3）设计合适的传感功能结果（4）传感器制备工艺研究（5）传感器性能测试（6）后端信号处理电路研究和传感器应用研究5.传感器的基本构成型式有哪几种？试画图并简要说明各自的特点。自源型，激励源型，外源型，三种补偿型。自源型：（a）不需要外能源；(b)其传感元件具有从被测对象直接吸取能量,并转换成电量电效应；(c)输出能量较大。激励源型：需要使用磁铁等辅助能源对传感器进行激励，从而获得输出信号。外源型：它必须通过带外电源的变换电路，才能获得输出信号。三种补偿性：（1）相同传感器的补偿型：使用两个原理和特性一样的敏感元件，其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过电路，利用后者消除前者的环境干扰影响。（2）差动结构补偿型：采用了两个原理和特性完全相同的转换元件，同时接收被测输入量，并置于同一环境中，巧妙的是，两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，通过变换（测量）电路使有用输出量增加，干扰量相消。（3）不同传感器的补偿型：其中一个接受信号，并已知其受环境影响的特性，另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号。6.磁阻效应有哪两类？它们有什么区别？可分为物理磁阻效应和几何磁阻效应。物理磁阻效应是指长方形半导体片收到与电流方向垂直的磁场作用时所产生的电流密度下降，电阻率增大的现象；几何磁阻效应是指在相同磁场作用下，由于半导体片几何形状的不同而出现电阻值不同变化的现象，几何磁阻效应又称为形状效应。（书上）可分为基于霍尔效应的普通磁阻效应和强磁性体中各向异性磁阻效应。区别：基于霍尔效应的磁阻效应使沿外加电场方向运动的载流子数量减小，电阻增大，表现出横向磁阻效应；而各向异性磁阻效应则是外加磁场偏离内磁场方向时，电阻减小，若外加磁场方向平行于内磁体磁化方向时，电阻几乎不随外磁场变化。（ppt上）7.常见的金属热敏电阻有哪些？铂、铜、铁和镍8.磁致伸缩产生的原因有哪些？磁偶极矩变化而产生晶格离子位置的偏移，磁弹性结合能变化引起晶格离子位置的偏移，以及由自旋引起的传导电子云分布的变化等。9.约束超导现象的三大临界条件是哪三个？临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC10.简述化学敏感元件的基本工作机制。11.简述氧化物半导体在气敏元件中的应用。氧化物半导体上吸附氧后测量吸附热、伴随吸附的电导率变化、功函数的变化等，可以为气敏元件探测氧的含量提供依据。12.描述陶瓷材料中热敏电阻的分类，并给出每种类型热敏电阻的代表性材料。（1）NTC热敏电阻是具有随温度升高而电阻指数减小的负温度系数的元件。大部分NTC热敏电阻材料是Fe、Ni、Co、Mn等过渡金属氧化物，多数情况下是由具有尖晶石型、岩盐型、黑锰矿型、方铁锰矿型等晶型的化合物或其混合物组成的。（2）PTC热敏电阻是在某一温度范围内其电阻呈非线性显著增加，且整体具有正的温度系数的元件。PTC材料目前采用的是钛酸钡（BaTiO3）系半导体。（3）CTR热敏电阻是骤变热敏电阻或临界热敏电阻，代表材料是VO2系材料。13.请画出压电陶瓷的制备工艺流程图。14.试比较物理吸附与化学吸附的差异。15.试简述金属氧化物陶瓷材料敏感机理？并以此说明n或p型金属氧化物材料中吸附气体性气体和还原性气体后，其导电率分别发生怎样的变化？吸附分子与固体相互作用（电子授受）的结果往往被离化。→如果吸附分子的分子轨道的最高被占能级在固体空的能级之上，则产生由吸附分子到固体表面的电子跃迁，吸附分子带正电荷。反之，如果分子有空的能级在固体的费米能级以下，则吸附分子接受电子，带负电荷。→因此表面电导发生大的变化。n型半导体吸附还原性气体时，还原性气体将电子交给半导体，而以正电荷与半导体相吸着，进入n型半导体内的电子，束缚其少数载流子的空穴，使空穴与导带上参与导电的自由电子复合几率减少，这实际上是加强了导电能力，因而减少了元件的电阻值。与此相反，若n型半导体吸附氧化性气体时，气体以负离子形式吸着，而将空穴给予半导体，其结束是使导带电子数目减少，而使元件电阻值增加。P型半导体与n型半导体变化相反。16.陶瓷材料有哪四种极化机制？（1）电子极化（由原子内的电子与核的相对位置的变化而产生的极化）；（2）离子极化（在离子性化合物中，由于正、负离子的重心偏移而产生的极化）；（3）定向极化（由于对偶极矩电场取稳定方向而产生的极化）；（4）空间电荷（界面）极化（在多晶等不均匀电介质中，由于电荷载体聚集在特定空间或界面而产生的极化）。17.压电陶瓷与压电晶体的压电机理有何区别？压电陶瓷需要经过极化之后才具有压电效应，而压电晶体本身就具有压电效应。18.基于热释电效应的红外敏感材料应该满足什么要求？（1）充分吸收入射的红外线。（2）为了使与吸收的热能相对应的温度上升的幅度大，应该使用体积比热小，微型化或薄膜化的材料。（3）与温度升高相对应的表面电荷变化大，即热电系数λ=dPr/dT大。当室温的Pr（剩余极化）大，且Tc（居里温度）适当高时，λ变大。Tc一低λ就大，但使用温度受到限制，且λ随温度变化变大。（4）与表面电荷变化相应的电容小，且可产生大的电压。（5）作为噪声源之一的tanδ小。19.在32种晶体点群中，有多少种具有压电效应，又有多少种具有热释电效应？（补充说明：在32个晶体点群（见晶体的对称性）中有11个具有对称中心；有对称中心的晶体压电张量的所有分量均等于零，它们都不是压电体。属于点群432的晶体虽无对称中心，但其对称性较高，也没有压电性。）20种晶体点群具有压电效应，10种具有单一极轴的晶体点群具有热释电效应20.简述铁电体与压电体和热释电体关系。铁电体必然具有压电性和热释电性；具有热释电性的晶体，必定具有压电性，但并不一定具有铁电性；压电晶体比如水晶、锗酸铋等不具有热释电性和铁电性。当然，谈到某种具体是用于压电体还是铁电体，不能离开具体的温度条件，只有在铁电居里点以下，晶体才会呈现铁电性．21.试例举3-4个半导体的重要特性。温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降（NTC）微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力(掺杂效应)适当波长的光照可以改变半导体的导电能力(光电效应)导电能力还随电场、磁场等的作用而改变(霍尔效应等)22.简述半导体电学性质与温度的依赖关系。（1）半导体中的电子迁移率的温度依赖性（硅）在高温侧迁移率下降是由于晶格振动产生的散射引起的，低温侧迁移率下降是杂质散射引起的。对于施主浓度高的样品迁移率整体变小，且很快移向低温区。（2）n型半导体的传导电子密度的温度依赖关系高温侧，载流子密度以exp(Eg/2kT)的斜率成指数地剧增，而在低温侧，由施主杂质提供的传导电子随温度的增加而增加；中温区，不变。（3）费米能级的温度依赖关系在低温下费米能级靠近施主能级，但在高温下移到带隙中央附近，且传导电子和价带空穴几乎以等密度激发。23.高分子材料的基本性质有哪些？高聚物分子量大。高聚物的分子量具有多分散性。高聚物分子的空间结构排列复杂。一般高分子材料都有比重小、强度大、电绝缘性能好、耐化学腐蚀等特点。24.与无机敏感材料相比，有机敏感材料有哪些优点？（1）容易加工、容易做成均匀大面积材料；（2）设计、合成新结构分子的自由度大，从而带来了敏感材料的多样性；（3）可实现在无机敏感材料中难以达到的识别功能。25.简述高分子材料的结构层次。26.阐述高分子材料的导电机制。（1）由杂质等产生的离子传导；（2）由电子和空穴产生的能带传导和跃迁传导；（3）由导电性填料形成导电通路。27.试简述有机材料被光照射时所产生的各种物性变化的机制。分子激发和生成电子性载流子。由分子激发可产生光电子发射、光介电效应等，另外因光照产生载流子从而有光电导性或光伏效应。分子激发发光光介电效应折射率光电容载流子生成光电导性光电动势结型势垒型内电场型浓度梯度