《生物信息与仿生材料测试技术》 课件 第2章 生物信息测试技术基础.pptx

第二章生物信息测试技术基础生物信息测试技术

敏感材料是对电、光、声、力、热、磁、气体分布等场的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料（通常称之为第二代材料），是能将各种物理的或化学的非电参量转换成电参量的功能材料。特点：电阻率随温度、电压、湿度以及周围气体环境等的变化而变化。用敏感材料制成的传感器具有信息感受、交换和传递的功能，可分别用于热敏、气敏、湿敏、压敏、声敏以及色敏等不同领域。敏感元件的定义：如果被检测或被控制的量不是电信号，那么把各种各样的物理量变成电信号来测量的元件，就是所谓的敏感元件。一、传感器的敏感材料与检测技术（一）敏感材料的定义

根据被测参数的功能类型来划分：温度敏感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材料等。

按照材料的结构类型分类：半导体敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子敏感材料、光线敏感材料、磁性敏感材料等等。一、传感器的敏感材料与检测技术（二）敏感材料的分类

传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。传感器用的半导体敏感材料种类主要有：元素半导体及化合物、金属氧化物以及几种金属氧化物经高温烧结而成的半导体陶瓷、多元化合物等，此外还有新开发的有机半导体材料，如酞蔷金属化合物等。

半导体在光、电、热、磁等因素作用下会产生光电、热电、霍尔、磁阻、压电、场和隧道等效应，利用这些效应可以制作各种具有独特性能的敏感元件。其特点是：灵敏度高、重量轻、响应快、工作电压低等。

一、传感器的敏感材料与检测技术（二）敏感材料的分类1.半导体敏感材料

一、传感器的敏感材料与检测技术（二）敏感材料的分类1.半导体敏感材料（1）光敏半导体材料：光能转换为电信号，按其换能原理分：①光导效应半导体材料：半导体材料接受光子的能量，使载流子由束缚态激发到自由态，从而电导率增大；②光电效应半导体材料：入射光在两种半导体的结合处激发起电子-空穴对，电子与空穴分别被结电场拉开，向相反方向运动，从而产生感应电动势。用这类材料可制成光电二极管、光电三极管及雪崩光二极管等器件，广泛用于自动控制。（2）磁敏半导体材料：磁场强度转换成电信号。按应用原理可：①霍尔效应材料：当有均匀电流流过的半导体材料受到一垂直于电流方向的磁场作用时，因洛伦兹力作用，产生一横向的电场。霍尔电压的大小与磁场强度成正比，依此可将磁场强度线性地转换为电压信号。要求材料具有高迁移率及薄层结构。②磁电阻效应材料：当半导体中有均匀电流流过，并受垂直于电场方向的外界磁场作用时，因霍尔效应，电流偏离电场方向一个角度，使电流所经的路程变长。在电流方向，材料两端设置金属元件，电阻就增大。常用InSb、InAS制作磁敏电阻，同样要求材料具有高迁移率及薄层结构。

一、传感器的敏感材料与检测技术（二）敏感材料的分类1.半导体敏感材料（3）压力敏感半导体材料压力转换为电信号。按其换能效应原理：①压阻半导体材料：这类材料受外力作用时，产生晶格形变。晶格的距离改变，导致禁带宽度及载流子在电场下的运动状态发生变化，促使电阻率改变。②压电半导体材料：这类材料的作用机理都基于压电效应。当外力作用到不具有对称中心的晶体上时，引起晶体中荷电质点位移，偏离平衡位置，使材料的正负电重心不重合而极化，晶体表面电荷。

一、传感器的敏感材料与检测技术（二）敏感材料的分类2.陶瓷敏感材料某些精密陶瓷对声、光、电、热、磁、力场及气体分布场显示了优良的敏感特性和耦合特性，容易制得各种单功能与多功能的传感器。由于与半导体陶瓷的导电性有关的现象多半跟晶界的存在及性质有关，故与晶界有关的各种现象往往成为陶瓷的特殊功能。目前，已得到实用的陶瓷传感材料可分为：（1）利用晶体本身性质的NTC热敏电阻、高温热敏电阻和氧气传感器；（2）利用晶界性质的PTC热敏电阻、半导体电容器；（3）利用表面性质的半导体电容器、BaTiO3系压敏电阻、各种气体传感器、湿度传感器。

一、传感器的敏感材料与检测技术（二）敏感材料的分类2.陶瓷敏感材料（1）温度敏感陶瓷材料：陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半导等物理性质随温度而变化的现象制成的，其中电阻随温度变化显著的成为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括有：电阻率、温度系数的符号与大小、稳定性。按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻（NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻（CTR）3类。负温度系数热敏电阻之温度－电阻特性可表示为：式中：R、R0为T、T0时的电阻值；B为热敏电阻常熟。由上式可得电阻温度系数为：

一、传感器的敏感材料与检测技术（二）敏感材料的分类2.陶瓷敏感材料（2）湿敏传感器材料：特点是可靠性高、稳定性好、响应速度快、灵敏度高，在实用的范围内能长时间