机器人用传感器材料的进展.pdf
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1、棍嚣人用 传感器材料 的 遵 壤 谭德生 一、前言 摘要 r 机器黾黄感器商糨分 半导钵胡轴、晦瓷翅牲 有机钌牺弱金 人脑、手、足、皮肤、眼睛、霉枢牲 本文麓要n结7这n类青 器胡糨的 惫 匝黾嫱霓私藿曩前 景 耳、舌等的功能在机器人中分别 关键溽祝器 耐料 舍 ,n I p=3 oI-o r l Q 0 on 1 0 维普资讯 http:/ 表 l 采 H 半 导体 材料 制作 的传 感器例子 技术综述 传堪器 效应 村料 用选 S i a s i 2 6 属薄膜 s l_ I C,3 5,6届薄膜一 s l_ I,荧光辟 s 一 I c 围体紫 r 可见光 图像佶感器 s 1 一【c P
2、t 或 lT 一 l c,2 6属一 s“c H g c c i T e,l n S n S e 崮体可 见光图像 专 感器 光生伏特兢庶 A u-Z n S A g Z n SS G et ri p Ga A a n S b,l a A s 生伏特元件 s L 】c 有机彩色滤光 S i I c 彩色传甚器 光佶感莘 S A s k P b O 紫外光摄像管 S e C d S C d S c,Z n O 光 导电元件 光导 电鼓 蕾 P b O C d T e、P b O P b S a-S L 订兕光摄像管 g n S C d T c S i Z n C dr e 扭,k 光摄镩管 热电
3、效应 P b T i O j;S i,P V F 2 I S 1 红外光传感器 霍 效应 S l-【C n g b 1 n Aa Ge Ga As 放置剐 0 量 艇忙感器 醚阻敦庶 Ni-C o l S i I C n S b I n A B 1 正接触开关 压电效应 z n O:S i 1 C P V F ff S i-I c 触赏佶感 件 力传感器 压阻敛应 S l S 1 I C Gc G a P,l n S b l n As B i 压世传感冗什 吸附阻抗变化 陶瓷 s l _ I C S n O 气体佶感嚣 碗附引起功匿数变化 金届 F E T 气体邑谱沾 S l I C 携带式气
4、体分析仪 湿度传感器 嗳附阻抗变化 聚合物 s l _ A I 0 S i-I c 压 阻敦廊 S 1 I C 加速度传感器 正 电效应 g n O S 1 I C F E T的门电压童化 无机薄脯 S i I C 【化学传感器 P H N a K,醉,激素,抗原 抗体等的检捌 门控制型二极蕾 鬯物体关迁薄膜 s 1 热起电 S L-】C 热电元件 温度性感器 引P晶体管制温度 l删量 S l _ I C 温度 十 流量传感器 F l I P晶l体管制温度特性 S】一 I C 气体、渡体的漉量测量 感温整流器 热濑威 电流的温度特性 S L 】C 温度控制 放 射线 检测 嚣 光 导电效垃 G
5、 e S 1 光导电效商 Z n S l_ I C 趣声波 C T 遥声波传感器 d 电效廊 P VF 2:S i I C 拱头 的方 向发展 而这些 又正是 已成 熟的半导体 l l 艺技术的长处,因 此 半导体传感器在整个传感器 领域 中占有越米越 重要 的地 位 目前 在 生产 上 大 量 应 用 的主 要 是物理传 感器 t、声、压 力、温度等),尤其是光学传感器 据 统计约 占 8 0 左 右。但从 研制 的角度看 物理传感器的研究趋 势已开始下降,而化学传感器及 生物、医学传感器(气敏、湿敏、离子 敏、酶敏等)开始 上 升。表l列 出 了采 用 半导体 材 料制作的传感器的典型例子
6、 可 以看出,硅材料占有特别重要的 位 霞,可 以说 它是 一种 八面玲 珑 的功能材料,对什么都可感受 而 它j:E 是 L S I 的主要 材料,因 此具有能充分利用这种 L S I制 造技术 的巨大优点。由于它对什 么都 可感 受 围此在 测量 某一 种 量 时,其它量 就成 为 噪声,这 意 味着存在信噪比不佳的缺点 但 是幸运的是硅是 L S I 基底材料 因此在形成传感器时,可同时加 入 为改善信 噪比所需 的补偿 电 路,能较 容 易地克 服缺 点 而 日 _ 还 可能将具有放大和判断功能 的 r c和 L S I电路集成化,这些 方面可 以说硅是非常优异的传 感 器材 料 2
7、0 0 售6蜃-器-舅 一 j 1 三t p I J 0,0 1 0 r 1 0 n 1 ;维普资讯 http:/ 表 2 采月 j 陶瓷材料制作的传感器例子 传感器 输 出 效应 精料 H 选 载流 产浓度 f NT C)Ni O,F e O,C o O Mn O C o O A1 O s i c f 粉拉 厚膜薄膜)温度计,删辐射热器 温度 阻抗变化 随温度 的变化 r P T C)半导性 B a T i O l 烧 结件】过热保护传缚器 倍感 嚣 半导体一 蛊属相转穆 V o2,V1 0 1 温度 开关 磁化变化 铁 磁性一 肫磁性转 穆 Mn Z n系铁氧体 温度开蓑 电势 氧离于浓差
8、电池 稳定型氧化锆 高温耐腐蚀性温度计 位置、速 反射 渡 的 压电效应 P Z T:锆蚀酸铅 鱼群箨铡 器 探伤 血压 度传感器 波形变化 电势 热电效应 L i N b O!L a l a 03 P Z S r T i O 红 外线 检测 瓦斯托 克斯定律 L a F 3(Yb,F r)红 外线检测 光传感器 渡 数倍增 效应 压 电体,B a!NR Nb O 1 B J L i N b O 红外线幢测 可 Z n Cu,A Y 2 o2 S(E u)彩色L U 视机显像 管 捷光 Z t l S(C u A1)x射线检铡器 热荧光 C a F 2 热黄光线计量 可燃 性气体 接触燃 烧
9、反 P【催化剂库【化铝 P t 线 可燃气 体浓度计报警 嚣 应熟 利用 氧化物 半导 体对 体 的吸 附或解吸 产生 的 S n O:I n 2 03,Z n O,WO 3,T F e z O 3,Ni O,C o O,Cr 2 0 气 体报警器 电阻变化 电荷转移 T i 0 2 L a N i O (L a,S 1)C o O 3,(B a,L n)3 等 气体 利用气 体热 传 导散 热造 热敏电阻 高枨麈气体传感器 传感器 成热敏电阻韫 度变化 氧化 物半导 体化学 当量 的变化 T i O 2 C o O-Mg O 汽车排气 传感器 高温 固 体电解 质氧气 浓 稳定 的氧化锆 Z
10、 r O,一 C a O,一 Mg O Y2 03 -L a O 等)氧化 排气传感 器,钢水 钢 水中的氧台 量 电动势 度差 电池 钍(T h O3 一 Y2 0 3)分析计 C O蛙氧 不完全燃烧传感器 电量 库仑滴定 稳定二氧化锆 磷燃烧氧传感器 暇湿离子传导 L l C f,P 2 O 5,Z n O L i 2 O 湿度计 湿 度 电阻 0 N i F e 2 0,Mg C r a P +T i Oz Z n O,Ni铁 氧体,F e 3 0 肢 佶感器 氧化物 半导体 湿度计 体 丹电常数 利用吸湿 改变 舟电常数 AI I O 3 湿度计 离于 电动势 固体 电解质膜浓差电池
11、Ag X,L a F A g S玻璃膜,C d S,Ag l 离于浓差 传感器 传感器 电阻 栅攮吸附教应 MOS F E T s l(栅材 H 用:S i 3 N 4:S i O S 用:A 勘S X-用:Ag X P b O)高于敏感性 F E T I F S E T 1 三、陶瓷材料 陶瓷传感器是由于用化学、物 理 及 热 性 能 稳 定 的金 属 氧 化 物高温烧结陶瓷制造的,具有耐 热、耐磨、耐腐蚀等优 良特 性,不仅广泛地用于光、位置、热、电磁波等多种检测领域,而且最 适宜用在条件 极为苛刻 的气氛 中。表 2列出了采用陶瓷材料制 作的传感器的典型例子 作 为传感器而使用的特 种
12、Sen s o r W o r l d 一 面 陶瓷,最 初主 要着 眼于它 的粒体 物性,即介 电性、磁性及半导体,尽可能使材 料固有 的特性发挥 出近似 于单 晶的水平 侧 如,温 度传感器利用的是陶瓷 的热 电 效应,超声渡传感器利用的是陶 瓷的压电效应等。后来人们发现 利 用粒 体的某 些特 殊性质,如利 用陶瓷上的孔隙,让水蒸汽或气 体 通过 这些气 孔,在 陶 瓷 内部 扩 散并吸附于粒界表面,将 引起界 面导电率的变化,从而研制出新 型 的功 能元件。这 种具有 粒界、粒体、表面、气孔结构的特种陶 瓷,不但能用于制造温度或气体 传感器 而且被认为是能适应传 感元件多功能化的理想材
13、料。因 为,包括陶瓷在 内的许多材料都 具有多功能性质 在单功能元件 中,为避免材料的各种功能相互 影响,往往采取特殊方法将不同 的功能 与有H j 的功能加 以分离 r l t t D:,由r、0 r _0 r l o 0n 1 c 维普资讯 http:/ 和 隔离。如 果我 们能有 效地利 用 分离和隔断技术,使材料的各种 功能平等地发挥 出来,则可得到 各种多功能元件。作为传 感器 用 的陶瓷,今后 要着重研究的是如何进一步提 高原料的纯度、如何控制结构和 尺寸精度。此外,还必须开发一 系列新技术,例如,能将一个晶 粒作为单一功能元件使用的晶 粒控制技 术、提 高气孔 率(8 0)表 3
14、 采用 有机材 料制 作的传 感器例 子 技术综述:=:和 机械 强度 的技 术、陶 瓷与硅 半 导体的结合法 高温烧结薄膜化 技术和 原子层外延生长法等以 及微弱电信号放大、不同特性的 电信号分离等 电子技术 四、有机材 料 表 3列 出了用有机材料制 作 的各种传 感器。有 机材 料传感 器的应用范围很广,在生物、医 疗、诊断、化学传感器 以及辅助 材料上已得到7 泛应用,如各种 酶传感器、微牛物传感器、抗原(抗体)传感器 及有用机材料 制成的人造骨骼、牙、心脏等人 工器官。高分子选择性 识别功能使 得有 机 材 料 在 机 器 人 嗅 觉 和 味 觉中大有用武之地 用它还可作 成具有交换
15、物质和 信息功能 的 生物膜传感器 柱测量 传感器输出 利用的效应 传感器村料 韫度 电动势 塞 皿克袭应 聚丙烯腈箭解 阻抗 载流子浓度随温度 的变化 有机 芈导体 相变点 T CN 0错体 转化点 碱 黑一 石蜡 表面 电荷 热 电效应 P VD F 压 电性高舒于复台材料 T GS 透过率 透过率随温度的变化 渡晶 透过章随温度 的变化 石蜡一 光纤 反射,透 过光波长 反射I 透过光渡长随温度 的变化 胆 督醇液晶 彳 卜 电损耗 主链箭子 的热运动变化 高舟子络台物 畸变 光热度 伴 随形变的光传输漏泄 弹性光纤(动,静夺)电压 压 电效应 P VD F 畸变 电致伸缩教应 P VD
16、 F 电场 色 波长选择的反射 胆甾醇液晶 散射光强度 电光学 的光散射 同列状液 晶 偏振光吸收 红外光偏振光吸收 峋二色性 向列拽渡 晶 柬 表面 电荷 热 电效应 P VD F 阻抗 光导 电效应 聚碳酸酯(P V Kj 放射线 光脉冲 荧光闪烁 均二苯乙烯,蒽 丙烯娄等 阻抗 吸湿引起阻抗 的变 化 醋酸纤维素,尼龙 离子交换树酯,聚苯乙烯,亲水性商分 子+碳 媪度 舟 电奉 吸湿引起彳 卜 电率的变化 醋酸纤维素 菸振频率 吸湿 引起振子负荷的变化 石英振于+聚酰亚胺 0 2 电流 O 的选择 性透过 电化学反应 O 2 透过性高舒子膜十 02 电极 C 0 2,NI-3 电动势 C
17、 O 2 的选择性透 过 多孔质 岛舒于膜+p H 电极 气体丹子 共振频率 吸湿 f 起振于 负荷的变化 石英振子一 有机涂屠剂 K Na 电动势 选择性膜 内输送 古肚高舒子膜 I 各种离子 电动势 选择性膜内输送 高舒子膜 1 葡萄糖 愿素 氪基酸等 电动势 电流 选择性触媒反应 酶固定化膜+电极 抗原,糖 1 3 0 D 电流 微生物反应 微生物固定化膜+电桓 l 血清蛋自,激素 电动势 电 i i【抗原抗体反应 抗原f 抗体)固定化膜+电极 传 嬖量 堂昱 2 00 1 6 nI ,们0了 o1 0 r J Q n0n 1 n 了 :维普资讯 http:/ 荨 亏 昂 。耄 g 8
18、n 3 由 P VDF(聚偏 氟 乙烯)所 代表的氟系高分子 在某种条件 下处理之后可出现各种功能性 固此作 为传感器 的应 用在 各方 面进 行 了研究 此外还 有在 橡胶 和 塑料 中混合 P Z T(锆钛 酸铅)及碳 的微粒,由于电阻或容量变 化 以及短路出现压电性,或具有 带各 向异性导 电性 的 A C S(各 向异性导电性硅橡胶)等 虽不 是直接使用材料的功能性但组 台 了橡 胶 和 塑 料 弹性 变 形 的 各 种 物理 效应 的复 合 式 压 力 传 感 器,最近 在研 究 也 十分 盛行。尤其 用在 机器 人 上 的压,触 觉传感器,为了对应人的皮肢需 要 有 软式压力 传感
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- 机器人 传感器 材料 进展
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