材料科学前沿1 信息材料

　　材料科学前沿 Frontiers of Materials Science MS E 信息材料 Information Materials MS E 人体与信息技术 信息技术是收集、存储、处理、传递和显示各 种信息的技术： ? 收集信息：眼、耳、鼻、舌、皮肤——感测技术 ? 传送信息：神经系统——通信技术 ? 存储和处理信息：大脑——信息处理、存储技术 ? 显示信息：肌肉、四肢根据大脑指令对信息 迅速做出反应——控制技术 3 信息材料分类 信息材料就是指与现代信息技术相关，用于实 现信息的收集、存储、处理、传递和显示的材料。 根据其功能，可把信息材料主要分为： ? 信息收集材料 ? 信息存储材料 ? 信息处理材料 ? 信息传递材料 ? 信息显示材料 4 一、信息收集（传感）材料 信息传感材料是指用于信息传感器和探测器的 一类对信息的材料，主要包括： ? 力敏材料、热敏材料 ? 光敏材料、磁敏材料 ? 气敏材料、湿敏材料 ? 压敏材料等 5 1. 力敏传感材料 力敏传感材料是指在外力作用下，电学性质会 发生明显变化的材料，分为： ? 金属应变电阻材料 ? 半导体压阻材料 ? 压电材料 6 力敏传感器 7 1）金属应变电阻材料 电阻应变效应是指金属导体的电阻在导体受力 产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象： ? 当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横 截面变小，引起电阻增加 ? 反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小 8 主要的金属应变电阻材料 ? 铜镍合金（康铜）：灵敏系数稳定性、耐辐射性 能好，低温性能较差 ? 镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度 较宽 ? 铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好 ? 镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高 ? 铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好 9 2）半导体压阻材料 ? 压阻效应：当半导体受到机械力作用时，由于载 流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象 原理：机械力作用 ? 晶格间距变化 ? 禁带宽度变 化 ? 载流子相对能量改变 ? 电阻率变化 ? 压阻系数G：单位应力作用下电阻率的相对变化 10 半导体压阻材料优点 ? 灵敏度与精度高 ? 易于微型化和集成化 ? 结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后， 性能保持不变 ? 动态特性好，其响应频率为103~105 Hz ——用来制成各种常温下压力、应力、应变、速度、 加速度传感器，逐步取代金属型应变计。 11 3）压电材料 ? 压电效应：某些电介质，在一定方向上受到外力 作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其 表面上会产生电荷 ——当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。 ? 压电材料：具有压电效应的电介物质 12 石英晶体压电效应示意图 13 2. 热敏传感材料 热敏传感材料是指对温度变化具有灵敏响应的 材料。 1）双金属温度计（热膨胀式） 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制 成的。 ——它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换 成机械量变化。 14 15 2）热电势式温度计（热电偶） 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回 ，当两个接点温度不同时，在回中就会产生热 电势，形成电流，此现象称为热电效应。 16 接触电动势 由于两种不同导体的电子密度不同而在接 触处形成的电动势。 接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料 特性和接触点的温度，两接点的接触电动势eAB(T) 和eAB(T0)可表示为： 17 温差电动势 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电 动势，其机理： ? 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大 ? 从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高 温端的要多 ? 结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得 多余的电子而带负电 ? 在导体两端便形成温差电动势 18 热电偶回中产生的总热电势 eAB(T, T0) = eAB(T) + eB(T, T0) – eAB(T0) – eA(T, T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为： ——取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关。 19 20 3）热敏电阻式温度传感器 利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化 的原理进行测温。 在实际生产中，热敏传感材料主要是指电阻值 随温度显著变化的半导体热敏电阻陶瓷。 21 热敏电阻 22 PTC热敏电阻材料 PTC是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正 温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定 温度传感器。 该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为基的烧 结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等 氧化物进行原子价控制而使之半导化。 常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导 （体）陶瓷。 23 NTC热敏电阻材料 NTC是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具 有负温度系数的热敏电阻现象和材料。 该材料是利用Mn、Cu、Si、Co、Fe、Ni、Zn 等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合烧结 而成的半导体陶瓷。 现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为 代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。 24 3. 光敏传感材料 光敏传感材料是指在光照下会因各种效应产生 光生载流子的材料。 ? 外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出 物体表面向外发射的现象——向外发射的电子称 为光电子，如光电管、光电倍增管等 ? 内光电效应：半导体材料受到光照时会产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈 低，世界末日最新消息如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等 25 光电导效应和光生伏特效应 ? 光电导效应：在入射光的作用下，电子吸收光子 能量从键合状态过渡到状态，从而引起材料 电导率变化的现象 ? 光生伏特效应：当大于禁带宽度的光子照射到PN 结后，光生电子-空穴对被内建电场分开，形成光 生电动势 2