一文读懂传感器材料的设计流程及注意事项

所谓材料设计，即是用科学的方法制造或选择所需要的材料。从新创造的或已有的材料中，用科学的方法选择出敏感功能，且在使用条件下耐久和可靠的材料，称为传感器材料的设计。

材料设计可分为三种：

①从材料数据库中选择和判断与所希望的材料相近的材料；

②使选择出的材料实用化；

③探索新的功能材料。

 

选择材料

给某材料施加物理量，则该材料产生其他物理量。例如，给某材料加上电能，该材料即发出声波能量，则可用这种材料构成声敏传感器和电声换能器。

从资料积累丰富的已有材料可知，对某种材料施加某一物理量能产生相同或不同的物理量，比较各种材料输入-输出能量变化的差异，则可选择出所希望的材料。

表1列出了无机功能材料的能量变换，査阅输入-输出能量变换的具体数据，则可得到灵敏度高的功能材料。

表1 无机功能材料的能量变换

 

材料实用化

无论有机、无机或金属功能材料，为了达到各种传感器所需的特性，有时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、纤维化、气孔化和复合化等形态。

通过改变材料形态，即可能在光学、电磁、声、热、分离、吸收、力学、输送和载体、化学和生物体等功能的基础上附加新功能。

表2列出无机系功能材料的形态与功能的关系，显然，材料通过改变形态能提高功能。

表2 无机系列功能材料的形态与功能

 

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.考察结晶化学

表3列出了用考察结晶化学的方法探索新的功能材料的一些例子。这里以ZnO-Al2O3-Li2O系为例简述材料设计。

氧化锌用于制作检测可燃性气体的敏感元件，要求灵敏度高和电阻的变化范围适当，故材料应是多孔质。敏感气体的机理是氧化锌表面的氧吸附和脱附，故首先要考虑氧化锌的多孔性。

此外，因为吸附氧时电阻变高，又由于可燃性气体作用使氧脱附时导致电阻变低，从而可检测可燃性气体，故氧化锌多孔体的电阻在高阻或低阻时都必须在容易检测的范围。多孔体电阻过小（即参与导电的载流子浓度n过高）时，氧吸附和脱附产生的载流子浓度变化△n小到可以忽略不计。

因此，需要寻求一种即使载流子浓度微小变化而电导率变化也大的载流子迁移率大的物质(在陶瓷情况下通常为N型)。通过这种物质的电导率使△n～n，从而控制n。

采用可固熔的Al2O3(氧化铝)和Li2O(氧化锂)添加物，能控制氧化锌的电导率和烧结性。掺入Al2O3时，作为载流子的电子(e)浓度变高，烧结时成为扩散起因的晶格间的锌(Zn)减少。因此，由于掺入Al2O3而电导率升高，且容易得到稳定的多孔体。掺入Li2O，主要在Al2O3浓度低时Zn2+和Li+进行置换固熔。Li2O固熔使电导率降低，且容易烧结。当希望获得多孔体时，掺入Al2O3很有效，但仅掺入Al2O3则电阻变得过小。解决的办法是采用两段掺入法，即为了制作稳定的多孔体而首先掺入Al2O3，然后用浸溃法或蒸发法将Li2O仅掺入该多孔体的外表面，用这种方法可提高气敏特性。

2.机遇（偶然性）

当为了某种目的而进行材料开发时，有时得到的不是预期的结果，而是出现出人意料的新发现，人们称这种现象为机遇。表3中列出机遇材料的一些例子，如敏感材料作为氧离子导体的稳定氧化锆，它原来的开发目的是耐火材料。

根据现有材料设计原理开发新材料是理想的材料设计方法，但这样的方法难以有重大的新发现。因此，在新材料的开发中，必须有“广阔的视野”、“价值判断能力”、“好奇心”和“探索真理的决心”。这些都是机遇的前提。只有这样，发现新材料的机遇才会越来越大。

3.相乘作用

两种以上物质混合时，若加成性不成立，则定量设计近乎不可能，但有时可得到特异性能的材料。所谓加成性不成立，是指两种以上的物质间的相乘作用大。利用相乘作用探索新的材料时，使两种相对立的物质混合或结合，表3列出了部分例子。

探索湿敏或气敏材料的例子有酸－碱系、主－客系，以及P－N结或非欧姆结系。酸－碱系是适敏陶瓷，其中酸性材料是TiO2，碱性材料是MgCr2O4，它们都是可用作耐火物质使用的耐久性好的材料，即使加热清洗吸附的油分子等污物也不必担心劣化。

根据吸附水分子使电导率变化的现象检测湿度，单独TiO2或MgCr2O4的灵敏度低于两种混合物的灵敏度。这种现象可认为是酸－碱界面附近水分子容易解离。主－客相互作用有含Li2O的ZnO系湿敏材料。P－N结的情况，发现NiO－ZnO结的V－I 特性随温度而变的现象，对CuO－ZnO系观察了无感湿特性的溶剂，下图示出了CuO/ZnO异质接触的V－I 特性与溶剂的关系。

CuO/ZnO的V－I 特性