傳感器材料的設(shè)計流程及注意事項

所謂材料設(shè)計，即是用科學(xué)的方法制造或選擇所需要的材料。從新創(chuàng)造的或已有的材料中，用科學(xué)的方法選擇出敏感功能，且在使用條件下耐久和可靠的材料，稱為傳感器材料的設(shè)計。

材料設(shè)計可分為三種：

①從材料數(shù)據(jù)庫中選擇和判斷與所希望的材料相近的材料；

②使選擇出的材料實用化；

③探索新的功能材料。

選擇材料

給某材料施加物理量，則該材料產(chǎn)生其他物理量。例如，給某材料加上電能，該材料即發(fā)出聲波能量，則可用這種材料構(gòu)成聲敏傳感器和電聲換能器。

從資料積累豐富的已有材料可知，對某種材料施加某一物理量能產(chǎn)生相同或不同的物理量，比較各種材料輸入-輸出能量變化的差異，則可選擇出所希望的材料。

表1列出了無機功能材料的能量變換，査閱輸入-輸出能量變換的具體數(shù)據(jù)，則可得到靈敏度高的功能材料。

表1 無機功能材料的能量變換

材料實用化

無論有機、無機或金屬功能材料，為了達到各種傳感器所需的特性，有時需要控制原子和分子的排列，把材料加工成薄膜化、微小型化、纖維化、氣孔化和復(fù)合化等形態(tài)。

通過改變材料形態(tài)，即可能在光學(xué)、電磁、聲、熱、分離、吸收、力學(xué)、輸送和載體、化學(xué)和生物體等功能的基礎(chǔ)上附加新功能。

表2列出無機系功能材料的形態(tài)與功能的關(guān)系，顯然，材料通過改變形態(tài)能提高功能。

表2 無機系列功能材料的形態(tài)與功能

探索新的功能材料

探索新的功能材料的常用方法列于表3中。

表3 探索新的功能材料的常用方法

1.考察結(jié)晶化學(xué)

表3列出了用考察結(jié)晶化學(xué)的方法探索新的功能材料的一些例子。這里以ZnO-Al2O3-Li2O系為例簡述材料設(shè)計。

氧化鋅用于制作檢測可燃性氣體的敏感元件，要求靈敏度高和電阻的變化范圍適當(dāng)，故材料應(yīng)是多孔質(zhì)。敏感氣體的機理是氧化鋅表面的氧吸附和脫附，故首先要考慮氧化鋅的多孔性。

此外，因為吸附氧時電阻變高，又由于可燃性氣體作用使氧脫附時導(dǎo)致電阻變低，從而可檢測可燃性氣體，故氧化鋅多孔體的電阻在高阻或低阻時都必須在容易檢測的范圍。多孔體電阻過小（即參與導(dǎo)電的載流子濃度n過高）時，氧吸附和脫附產(chǎn)生的載流子濃度變化△n小到可以忽略不計。

因此，需要尋求一種即使載流子濃度微小變化而電導(dǎo)率變化也大的載流子遷移率大的物質(zhì)(在陶瓷情況下通常為N型)。通過這種物質(zhì)的電導(dǎo)率使△n～n，從而控制n。

采用可固熔的Al2O3(氧化鋁)和Li2O(氧化鋰)添加物，能控制氧化鋅的電導(dǎo)率和燒結(jié)性。摻入Al2O3時，作為載流子的電子(e)濃度變高，燒結(jié)時成為擴散起因的晶格間的鋅(Zn)減少。因此，由于摻入Al2O3而電導(dǎo)率升高，且容易得到穩(wěn)定的多孔體。摻入Li2O，主要在Al2O3濃度低時Zn2+和Li+進行置換固熔。Li2O固熔使電導(dǎo)率降低，且容易燒結(jié)。當(dāng)希望獲得多孔體時，摻入Al2O3很有效，但僅摻入Al2O3則電阻變得過小。解決的辦法是采用兩段摻入法，即為了制作穩(wěn)定的多孔體而首先摻入Al2O3，然后用浸潰法或蒸發(fā)法將Li2O僅摻入該多孔體的外表面，用這種方法可提高氣敏特性。

2.機遇（偶然性）

當(dāng)為了某種目的而進行材料開發(fā)時，有時得到的不是預(yù)期的結(jié)果，而是出現(xiàn)出人意料的新發(fā)現(xiàn)，人們稱這種現(xiàn)象為機遇。表3中列出機遇材料的一些例子，如敏感材料作為氧離子導(dǎo)體的穩(wěn)定氧化鋯，它原來的開發(fā)目的是耐火材料。

根據(jù)現(xiàn)有材料設(shè)計原理開發(fā)新材料是理想的材料設(shè)計方法，但這樣的方法難以有重大的新發(fā)現(xiàn)。因此，在新材料的開發(fā)中，必須有“廣闊的視野”、“價值判斷能力”、“好奇心”和“探索真理的決心”。這些都是機遇的前提。只有這樣，發(fā)現(xiàn)新材料的機遇才會越來越大。

3.相乘作用

兩種以上物質(zhì)混合時，若加成性不成立，則定量設(shè)計近乎不可能，但有時可得到特異性能的材料。所謂加成性不成立，是指兩種以上的物質(zhì)間的相乘作用大。利用相乘作用探索新的材料時，使兩種相對立的物質(zhì)混合或結(jié)合，表3列出了部分例子。

探索濕敏或氣敏材料的例子有酸－堿系、主－客系，以及P－N結(jié)或非歐姆結(jié)系。酸－堿系是適敏陶瓷，其中酸性材料是TiO2，堿性材料是MgCr2O4，它們都是可用作耐火物質(zhì)使用的耐久性好的材料，即使加熱清洗吸附的油分子等污物也不必?fù)?dān)心劣化。

根據(jù)吸附水分子使電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象檢測濕度，單獨TiO2或MgCr2O4的靈敏度低于兩種混合物的靈敏度。這種現(xiàn)象可認(rèn)為是酸－堿界面附近水分子容易解離。主－客相互作用有含Li2O的ZnO系濕敏材料。P－N結(jié)的情況，發(fā)現(xiàn)NiO－ZnO結(jié)的V－I 特性隨溫度而變的現(xiàn)象，對CuO－ZnO系觀察了無感濕特性的溶劑，下圖示出了CuO/ZnO異質(zhì)接觸的V－I 特性與溶劑的關(guān)系。

CuO/ZnO的V－I 特性