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、氣孔化和復合化等形態(tài)。

通過改變材料形態(tài)，即可能在光學、電磁、聲、熱、分離、吸收、力學、輸送和載體、化學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

表3列出了用考察結(jié)晶化學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，故材料應是多孔質(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?。磪⑴c導電的載流子濃度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固熔使電導率降低，且容易燒結(jié)。當希望獲得多孔體時，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）

當為了某種目的而進行材料開發(fā)時，有時得到的不是預期的結(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擔心劣化。

根據(jù)吸附水分子使電導率變化的現(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