如何進(jìn)行傳感器材料的設(shè)計(jì)

所謂材料設(shè)計(jì)，即是用科學(xué)的方法制造或選擇所需要的材料。從新創(chuàng)造的材料中或已有材料中，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(jì)。材料設(shè)計(jì)可分為三種：①?gòu)牟牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)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(shí)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(duì)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。下表列出了無(wú)機(jī)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 無(wú)機(jī)功能材料的能置變換

材料實(shí)用化

無(wú)論有機(jī)、無(wú)機(jī)或金屬功能材料，為了達(dá)到各種傳感器所需的特性，有時(shí)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(guò)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。下表列出無(wú)機(jī)系功能材料的形態(tài)與功能的關(guān)系，顯然，材料通過(guò)改變形態(tài)能提高功能。

表 無(wú)機(jī)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下表中。

探索新的功能材料的常用方法

1.考察結(jié)晶化學(xué)

上表列出了用考察結(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-A12O3-Li2O系為例簡(jiǎn)述材料設(shè)計(jì)。

氧化鋅用于制作檢測(cè)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(jī)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?yàn)槲窖鯐r(shí)電阻變高，又由于可燃性氣體作用使氧脫附時(shí)導(dǎo)致電阻變低，從而可檢測(cè)可燃性氣體，故氧化鋅多孔體的電阻在高阻或低阻時(shí)都必須在容易檢測(cè)的范圍。多孔體電阻過(guò)小（即參與導(dǎo)電的載流子濃度n過(guò)高）時(shí)，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(jì)。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(guò)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和Li2O添加物，能控制氧化鋅的電導(dǎo)率和燒結(jié)性。摻入Al2O3時(shí)，作為載流子的電子（e）濃度變高，燒結(jié)時(shí)成為擴(kuò)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(shí)Zn2+和Li+進(jìn)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(shí)，摻入Al2O3很有效，但僅摻入Al2O3則電阻變得過(guò)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(jī)遇（偶然性）

當(dāng)為了某種目的而進(jìn)行材料開發(fā)時(shí)，有時(shí)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(jī)遇。上表中列出機(jī)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(lái)的開發(fā)目的是耐火材料。根據(jù)現(xiàn)有材料設(shè)計(jì)原理開發(fā)新材料是理想的材料設(shè)計(jì)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(jià)值判斷能力”、“好奇心”和“探索真理的決心”。這些都是機(jī)遇的前提。只有這樣，發(fā)現(xiàn)新材料的機(jī)遇才會(huì)越來(lái)越大。

3.相乘作用

兩種以上物質(zhì)混合時(shí)，若加成性不成立，則定量設(shè)計(jì)近乎不可能，但有時(shí)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(shí)，使兩種相對(duì)立的物質(zhì)混合或結(jié)合，上表列出了部分例子。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(cè)濕度，單獨(dú)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(duì)CuO-ZnO系觀察了無(wú)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
來(lái)源；傳感器網(wǎng)