第五章 信息材料

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8．力敏
半导体应变计材料：利用半导体压阻效应和压电 效应，特点是单位应变的电阻率变化大。
主要有：单晶硅，采用掺杂或扩散的方式获得 （压阻效应）、GaAs、CdS、ZnO（压电效应）。
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8．力敏
加速度计：目前测量加速度，是采用测量位移、 质量和作用力来换算的，所以所用的材料主要还是来 测量位移和力，通过集成电路的方式来求解。 可用于汽车安全气囊、航海器、心房脉动探测器、 机器监控等。
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1．光敏
光敏传感材料主要是利用光电子材料的特性，将光 信息转换为电信息，从而加以利用。
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1．光敏
光电传感材料主要有：

光敏电阻材料
最常用的是CdS、CdSe和PbS等半导体化合物 光敏二极管和光敏三极管用光敏材料

最常用的是Si和CdS
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1．光敏

紫外传感器
最常用的是G种伏安特性为非线性的电阻元件制 作的电压敏传感器。此时，当在传感器的两端施加 电压低于某一特定值时，其电阻值就会急剧变小， 是导体；而高于某一特定值时，电阻值升高，接近 绝缘体。这在碳化硅、金属氧化物，钛酸钡、硒化 镉等材料中都有这种特性。
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5．热敏
热敏陶瓷材料是利用电阻值对温度极为敏感的电阻 元件来制作的热敏传感器。该类传感器可以由单晶、 多晶以及玻璃、塑料等半导体材料制成。例如，正温 度系数热敏半导体是用钛酸钡半导体陶瓷加微量稀土 元素制成的；负温度系数热敏半导体是用多晶金属氧 化物半导体制成的，也可采用硅、锗、玻璃等半导体 材料制成。这种传感器应用广泛，如温度测量(高温至 超低温)、温度控制、火灾报警、气象探空、过荷保护 等。在空间技术，火箭导弹等军事技术上应用更为普 遍。
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3．磁敏
磁敏传感材料主要有：
磁敏电阻（InSb、InAs）
一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测，在交流变 换器、频率变换器、位移电压变换器做控制元件；还 可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动 机测速等方面。
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3．磁敏
磁敏传感材料主要有：
磁敏二极管、三极管（Si）
一般用于磁场强度、转速、探伤等方面的检测和 控制。
最新出现的新处理材料有：GaAs、InP、GaN等， 还有半导体纳米结构材料（二维超晶格、量子阱、一维 量子线和零维量子点材料），但是短期之内还无法取代 Si的主导地位。
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信息获取材料——传感器
传感器是重要的信息获取材料，它是利用材料具 有不同的物理、化学和生物效应制成对光、声、磁、电、 力、温度、湿度、气体等敏感的器件。是信息获取、感 知和转换所必需的元件，同时也是自动控制、遥感技术 的关键。敏感材料的种类很多，根据它们所使用的材料 可分为半导体、陶瓷、有机膜及金属间化合物等。根据 它们的不同用途可分为光敏、声敏、磁敏、电敏、热敏、 湿敏、气敏、力敏等。
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光纤
将待传输的信息调制加载到光波上，以光纤作 为传输介质，可实现光纤信息传输。光纤传输的损 耗远远低于线缆传输、波导管传输，已经成为骨干 通信网络的主要传输方式。
并随着信息处理技术和全光传输技术的发展， 光纤信息传输的应用范围还将进一步扩展。
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9．图像传感器结构与材料
互补氧化金属半导体（CMOS）图像传感器：是 最新研发的新型图像传感器。采用标准的计算机晶 片的CMOS技术生产，价格更加便宜。适用于小尺 寸、低价格、摄像要求无过高要求的应用，如：保 卫用微型相机、手机、计算机网络视频、条形码扫 描器、传真机、车用摄像系统等。
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10．生物传感器
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5．热敏
热敏材料还包括常用的热电偶。
优点是：测温精度高、测量范围广、构造简单使 用方便。
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6.湿敏
湿敏传感器是最简单的湿度传感器。主要由电阻 式和电容式两种。
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6.湿敏
电阻湿敏传感器是由感湿层、基片以及感湿层上 的两个电极组成的。随着湿度的变化，感湿层吸湿 的程度也发生变化，从而导致电阻率发生变化。 感湿层多采用氯化锂等。
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3．磁敏
利用磁场作为媒介可以检测很多物理量，如： 位移、振动、力、电流、功率等。它不仅可以实现 非接触测量，并且不从磁场中获取能量。可以用永 久磁铁来产生磁场，不需附加能源。
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3．磁敏
磁敏传感材料主要有：
磁敏霍尔传感器（Ge、Si、InSb、GaAs）
主要应用于无刷直流电机（用于磁带录音机、录像 机、打印机、电唱机、通风风扇）中，还用于测量转 速、流量、流速及利用它做成高斯计、电流计、功率 计等仪器。
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6.湿敏
半导体湿敏传感器中，半导体陶瓷晶粒间界电 阻比体内电阻高很多，使半导体陶瓷具有良好的湿 敏特性，电阻率随着湿度的增加而下降。 主要有：ZnO、CuO、TiO2、V2O5等。
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7．气敏
电阻式气敏材料是对气体敏感，电阻值会随外界 气体种类和浓度而变化的一系列材料。常用的气敏材 料有：SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2、TiO2和WO3等。 电容式气敏传感器是利用材料的电容量随周围气 体的浓度发生变化的原理制作的，有CuO-BaTiO3 ， CuO-BaSnO3等。 伏安特性气敏传感器是利用了金属与半导体之间 的接触电势差对气体敏感的特性制作的，有Pb-TiO2 和Pt-TiO2 。
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8．力敏
力敏传感器主要用于测量力、加速度、扭矩、 压力、流量等物理量。
其种类繁多，有：电阻式、电容式、变磁阻式、 振动式、压阻式、压电式、光纤式等。不同种类的 力学传感器所涉及的原理和材料各不相同。
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8．力敏
金属应变电阻材料：利用金属材料的应变效应， 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随 着它所受机械变形的变化而发生变化的现象。 主要有：康铜系合金、锰白铜合金、镍铬铝铁合 金等。
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电缆
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双绞线
双绞线是广泛应用于短距离数字传输等一类通 信电缆的总称。
双绞线的结构
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双绞线
构成回路的两根绝缘导线相互扭绞， 可以减少对芯线之间的串扰。
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同轴电缆
同轴电缆是信 息传输的主要 介质之一。
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电缆的主要材料
金属材料：铜、银、铝、金、镍、铁、锌、锡等； 聚合物材料：聚氯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、 聚四氟乙烯、硅橡胶、氯丁橡胶等。
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信息传输材料
信息的传输早期是通过电缆来实现的。
上世纪70年代发展完善的低损耗石英光纤和长寿命 半导体激光器的研制成功，使光通信成为可能。光纤传 输不仅损耗比电缆低，而且传输损耗不随传输频率提高 而增大。 最近，研制出有效面积更大的新型光纤（全波光纤、 叶状光纤、光子光纤），进一步提高信息的传输效率。
第五章 信息材料（1）
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信息材料的概念
信息技术是一种多层次、多专业的综合技术。一切 与信息收集、处理、存储、传输、显示乃至应用有关的 各种技术均可称为信息技术，包括计算机技术、微电子 技术、通讯技术、传感技术、制导技术、光纤技术、激 光技术、红外技术、人工智能技术等。
信息材料是指与现在信息技术相关的，用于信息的 收集、存储、处理、传递和显示的材料。 信息材料是信息技术的基础和先导。
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10．生物传感器
基因传感器是指核苷酸片段、DNA片段等用来选 择性性识别待测基因的一些单链核酸。
近年来出现的NDA芯片就是将具有特定序列的核 苷酸片段或DNA片段很高密度有序地固定在玻璃或硅 基片上制成的，目前处于实验室研究阶段。
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5-2：信息传输材料
任何信息的传输都依赖于一定的传输介质，分为 定向的有线传输介质和非定向的无线传输介质。 前者涉及双绞线、同轴电缆和光导纤维等，后者 涉及卫星、无线电波、微波、红外通信等传输技术。 通常意义的传输材料指在信息定向传输中，用于 传输各种携带信息的材料、以及为了保证信息传输 的质量，对核心传输介质加以保护的材料。
主要用于人体的医学诊断，例如对谷氨酰胺、尿 酸、维生素C、腺苷等物质含量的测定等。
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10．生物传感器
抗原与抗体传感器是一种能进入动植物机体使其 产生免疫反应的物质。利用抗体对其相应的抗原的识 别和特异结合功能，即可制备出用来测定甲胎蛋白、 胰岛素、乙型肝炎抗原等含量的各种免疫传感器，对 临床医学诊断和治疗具有积极作用。
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9．图像传感器结构与材料
光电倍增管（PMT）：上世纪50年代出现，技术非 常成熟。通过内置的电极，将进入的光信号转变成为 电信号，具有极高的动态范围，而且非常耐用（十万 小时以上）。
但是目前价格相对较贵，主要用于专业的印刷、 出版业扫描仪及工程分析仪等。
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9．图像传感器结构与材料
电耦合（CCD）图像传感器：是一个半导体器 件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫 一个像素，将所在处的光信号转变成电信号。由于 CCD体积小、造价低，所以广泛用于扫描仪、数码 照相机及数码摄像机中。但是其感光效率能力比 PMT低。
包括短波红外（Ge、InGaAs、InAs），中波红外 （InSb、HgCdTe、InGaAs、 InAlAs、InP）， 长波红外（ InSb、HgCdTe 、GaAs、GaAlAs）
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2．声敏
它是根据各种频率的声波由于振动所产生的压力 在压电半导体中与自由载流子(电子或空穴对)相互 作用，而产生的压电效应制成的声敏传感器。大部 分声敏传感器是采用II一Ⅳ族化合物如硫化镉、氧 化锌等制成的。现在也用压电陶瓷(如锆钛酸铅陶瓷 等)、压电晶体(石英等)以及新发展的压电高聚物( 聚偏二氟乙烯等)来感知声的振动。
生物传感器材料是指生物酶、动植物组织、抗原 与抗体、基因等一系列生物活性材料。
酶传感器主要用于医学分析、工业在线检测和环 境监控等领域，对葡萄糖、氨基酸、胆固醇等几十 种物质含量的检测。酶在里面主要起到催化剂的作 用。