第六章 传感器与敏感材料
高中物理--传感器
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
传感器的敏感材料与敏感元件介绍
3.2.1 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 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③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。
❖ 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 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进行分类。该分类方法包括半导体 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、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。
3.1 半导体敏感材料及元件
❖ 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。
图3-8 TiO2含量对电阻的影响
❖ 3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料
钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaTiO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。
积的空隙中。间隙较小的
是氧四面体中心，为A位置，
间隙较大的则是氧八面体
位置，为B位置。
图3-6 两种结构类型
❖ （2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响。
第六章-自感式传感器
L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低 ，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈 匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章 电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用 线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它 可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一 定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成 位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电 感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0
常用传感器与敏感元件(热电式传感器)
B
即：EABT1，T3 EABT1，T2 EABT2，T3
热电偶传感器
（5）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要 第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不 会影响热电偶的热电势。 中间导体定律
C
T0
T0
A
B
T
T0
C
T1
A T1 B
T
热电偶传感器
（6）当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶 的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的和， 即：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0) 标准电极定律 或：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)
热电偶传感器
◆镍铬－镍硅(镍铬－镍铝)热电偶(WREU)
（1）由直径1.22.5mm的镍铬与镍硅制成，用符 号EU表示，镍铬为正极，纯镍硅为负极。
（2）化学稳定性好，1200C以下范围长期使用，短 期测量温度高达1300℃，热电势大，线性好价格便 宜。 （3）测量精度偏低。
热电偶传感器
◆镍铬－考铜热电偶(WREA) （1）由直径1.22.0mm的镍铬材料与镍、铜合金 制成，用符号EA表示，镍铬为正极，考铜为负极。
镍铬-镍硅
镍铬-考铜 镍铬-铜镍
WRN
EU-2 或K
0～ 1300℃
≤400℃ ±3.0℃
>400℃ ±0.75%t
0～
WRK EA-2 800℃ ≤300℃ >300℃
WRE 或E 0～ ±3.0℃ ±1.0%t
1000℃
例1：用铂铑30-铂铑6热电偶测温，已知冷端温度为50ºC， 实测的热电势为8.954mV，试求预测的温度值。
2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV
温度传感器敏感材料
温度传感器敏感材料温度是国际单位七个基本物理量之一。
温度测量在物理学中占有重要地位，在国民经济、国防建设和科学研究以至人们生活中也十分重要.因而得到广泛应用。
贵金属，特别是铂及其合金具有优良的抗氧化性能。
热电势高且与温度的单值函数关系好，热电特性稳定，具有大的电阻温度系数，电阻与温度的关系接近线性，是特别重要的温度测量材料和温度敏感材料，已广泛用于对温度的精确测量并用作沮度基准和高温定点。
贵金属测温材料主要有两大类:热电偶材料和铂电阻温度计材料。
①贵金属热电偶材料1821年Z'. J. Seeback发现热电效应，即将A和B两种不同的金属线连成回路，其两端温度保持不同，则电路中产生电流，存在由温差引起电动势的现象。
这一效应被称为Seeback效应或Seeback温差效应.是热电偶测温的基本原理.闭合电路中存在热电动势VAB = W.AR〃OT，式中.OT为沮差;W"a=(WA--W,)为Seeback系数(W‘和W。
为金属A和B的绝对热电动势率》。
W。
决定了热电偶侧沮材料的基本性能.作为热电偶测温材料，要求有尽可能大的WM,即选用W‘和W。
相差较大的材料作两极，并要求w胡和温度丁的关系尽可能呈线性。
且保持稳定.贵金属铂的绝对热电势率为负值，与温度呈线性关系。
Pt-Rh合金具有高而稳定的热电势.且热电势与沮度呈线性关系，因此，纯铂与Pt-Rh合金可配对制作热电偶，且对铂热电势随佬含量增加而增加。
继1885年第一支Pt-lORh/Pt 热电偶制作成功后，对贵金属热电偶材料的研究发展很快，贵金属成为重要的高温热电偶测沮材料.常用的铂基合金热电偶材料及性能如表 6.5所列.贵金属高沮热电偶广泛用于炼钢工业、玻璃工业、化学工业以及金属材料和非金属材料加工等过程温度测量。
对炼钢工业来说，Pt-PtRh热电偶不仅用于测量钢液温度，而且根据钢液温度与碳含量的关系可测定钢液含碳量，其作用十分重要.Pt-PtlORh热电偶还用作温度基准。
人教版高中物理选修3-2课件第6章传感器回顾总结(37张ppt)
• 当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁铁吸合 铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；当电 流小于50mA时，3、4接通，励磁线圈中允许 通过的最大电流为100mA.
• (3)图2是霍尔测速仪的示意图，将非磁性圆盘固 定在转轴上，圆盘的周边等距离地嵌装着m个永 磁体，相邻永磁体的极性相反．霍尔元件置于 被测圆盘的边缘附近．当圆盘匀速转动时，霍 尔元件输出的电压脉冲信号图象如图3所示．
• a．若在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为p， 请导出圆盘转速N的表达式．
• C．霍尔元件D．干电池
• 解析：发光二极管具有单向导电性，可以发 光，但不能做传感器，热敏电阻可以把温度 转化为电学量，霍尔元件可以把磁感应强度 转化为电压这个电学量，故B、C正确．
• 答案：BC
• 2．(江苏高考)2007年度诺贝尔物理学奖授予了 法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨 磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读 取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一 次真正应用．在下列有关其他电阻应用的说法 中，错误的是( )
③电磁起重机．
答案：(1)见解析 (2)①20 160～320 ②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸 合铁片时，3、4 之间接通；不吸合时，3、4 之间断开 ③电磁起重机
• 【考情分析】从近几年的高考来看，对涉及传 感器知识的考查，主要集中在传感器及其工作 原理和传感器的应用等方面．本部分的知识以 单独命题占多数，也可以与电磁感应、电路等 相结合，基本题型是以选择题、实验题或计算 题出现，重点考查学生分析问题和将知识运用 于生活、生产的能力．
传感器的敏感材料与敏感元件
传感器的敏感材料与敏感元件概述传感器是计量和控制系统中的重要组成部分。
它通过感知物理或化学量的变化并将其转化为电信号，从而实现对环境、材料或物体的检测和测量。
在传感器中，敏感材料和敏感元件起着关键作用。
敏感材料是指能够对外界环境变化产生敏感响应的材料，而敏感元件则是将敏感材料的响应转化为电信号的组件。
传感器常用的敏感材料1. 氧化物敏感材料氧化物敏感材料是传感器中常用的一类材料。
它们具有很高的化学稳定性和电学性能，并且对特定气体有很高的敏感性。
例如，二氧化锡（SnO2）被广泛应用于气体传感器中，可以检测到一氧化碳、二氧化硫等有害气体。
此外，氧化锌（ZnO）也常用于氨气传感器的制备。
2. 金属敏感材料金属敏感材料主要通过其电导率的变化来实现对环境参数的敏感检测。
常用的金属敏感材料包括铂、钼等。
例如，铂电阻温度传感器可以精确测量温度，广泛应用于温度控制系统中。
3. 半导体敏感材料半导体敏感材料是传感器中最常用的一类材料。
它们的电学特性可以被外界环境的变化所改变，从而实现对物理量或化学量的检测。
例如，硅、锗等材料常用于温度传感器的制备，而氮化镓（GaN）材料则用于制备氮化物传感器，可以检测温度、压力、光强等参数。
传感器常用的敏感元件1. 电容式敏感元件电容式敏感元件是一种常见的传感器元件。
它由一个固定电容和一个可变电容组成，通过测量电容的变化来检测物理量的变化。
例如，电容式湿度传感器通过测量湿度对电容的影响来判断环境中的湿度水平。
2. 电阻式敏感元件电阻式敏感元件主要是通过测量电阻值的变化来检测物理量的变化。
例如，热敏电阻温度传感器通过测量电阻值随温度的变化来实现温度的测量。
3. 压阻式敏感元件压阻式敏感元件是一种可以通过物体的压力或力的变化来改变电阻值的元件。
例如，应变片传感器通过测量应变片电阻值的变化来检测物体的应力或压力。
4. 光敏敏感元件光敏敏感元件是一种能够对光强变化产生敏感响应的元件。
例如，光敏电阻通过光照强度对电阻值的影响来测量光照强度。
高二物理人教版选修3-2第六章 1 传感器及其工作原理
三、热敏电阻和金属热电阻 1.热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,温度升 高电阻减小,如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性 曲线。
2.金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作 温度传感器,称为热电阻,如图乙所示为某金属导线电阻的温度特 性曲线。
探究一
探究二
探究三
探究四
典例剖析
【例题1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是 确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理, 某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图乙所
示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆
的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过
3.霍尔电压:UH=kIdB 。 (1)其中d为薄片的厚度,k为霍尔系数,其大小与薄片的材料有关。 (2)一个霍尔元件的d、k为定值,再保持电流I恒定,则UH的变化就 与磁感应强度B成正比。 4.作用:把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
搜索“玉兔探月机器人”,了解我国“玉兔”探月机器人 拥有哪些传感器,以后的探月机器人的发展方向等。
B.θ'<θ C.θ'>θ
D.不能确定
解析:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部
分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,故B正确。
答案:B
探究一
探究二
探究三
探究四
热敏电阻和金属热电阻
问题探究
如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支
表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连, 这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精,表针将 如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?
常用的传感器与敏感元件
03 磁敏元件
霍尔元件
01
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏元件，能够检测磁场并输出相应 的电压信号。
02
它通常由半导体材料制成，具有体积小、精度高、线性度好等优点， 广泛应用于磁场测量、电流检测、电机控制等领域。
03
霍尔元件的输出电压与磁场强度成正比，可以通过外部电路进行放大 和调理，以实现精确的测量和控制。
压电式传感器
利用压电材料的压电 效应来检测物理量， 如加速度计。
热电式传感器
利用热电效应来检测 温度，如热敏电阻。
应用领域
工业自动化
用于生产过程中的各种参数检 测和控制。
环境监测
用于气象、水文、环保等领域 的数据采集。
医疗诊断
用于生理参数的监测和诊断。
交通运输
用于车辆、船舶、飞机等的安 全监测和控制系统。
热电偶
总结词
热电偶是一种将温度转换为电势差的传感器。
详细描述
热电偶由两种不同材料的导体组成，当两端存在温差时，会在导体之 间产生电动势，通过测量电动势可以得知温度差的大小。
应用领域
热电偶广泛应用于工业领域中的温度测量和控制，如炉温监测、管道 温度检测等。
优点
热电偶具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点。
从而检测气体浓度。
优点
灵敏度高、响应速度快、稳定性好、寿命 长。
应用
广泛应用于可燃气体、有毒气体、有机蒸 汽等气体的检测。
缺点
对某些气体选择性较差，容易受到温度和 湿度的影响。
固态电解质气敏传感器
应用
主要用于氢气、一氧化碳等气体的检测。
原理
利用固态电解质材料的离子传导特 性，通过气体在电解质中的扩散和 吸附，改变其离子传导率，从而检
敏感材料与传感器作业1-2答案
《敏感材料与传感器》作业（1、2次合并）1.解释：传感器、传感器技术、敏感材料、磁阻效应、双金属敏感元件、LB膜、SA膜、形变规、约瑟夫逊(Josephson)效应、色谱法、形状记忆现象、陶瓷材料、压电效应、热释电效应、空穴、有效质量、压阻效应（1）传感器：传感器是能够感受被测量并按照一定的规律将其转换成为可用信号（如电信号、光信号）的器件或装置，它通常有敏感元件、转换元件及相应的机械结构和电子线路所构成。
（2）传感器技术：传感器技术是一个汇聚物理、化学、材料、器件、机械、电子、生物工程等多类型的交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。
（3）敏感材料：敏感材料是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。
（4）磁阻效应：物质在磁场中电阻发生变化的现效应象。
（5）双金属敏感元件：是将热膨胀系数不同的两种金属片贴合而成的敏感元件。
（6）LB膜：将含有亲水基和疏水基的两性分子正在水面上形成的一个分子层厚度的膜（即单分子膜），以一定的方式累计到基板上的技术。
（7）SA膜：分子自组装膜是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。
（8）形变规：形变规是利用物质因受力而使其电阻发生变化的敏感元件。
（9）约瑟夫逊效应：在两个导体间插入纳米量级的绝缘体，超导电流会从一块超导体无阻通过绝缘体到另外一块超导体。
此超导体/绝缘体/超导体结被称为约瑟夫逊结。
（10）色谱法：使混合物中各组分在两相间进行分配,其中一相是不动的(固定相),另一相(流动相)携带混合物流过此固定相,与固定相发生作用,在同一推动力下,不同组分在固定相中滞留的时间不同,依次从固定相中流出,又称色层法,层析法。
（11）形状记忆现象：具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后（另一形状），通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始的形状。
高中物理 第六章 传感器 第1节 传感器及其工作原理(含解析)2
第1节传感器及其工作原理1．传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。
2．非电学量转换为电学量的意义把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。
2．原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
四、霍尔元件1．霍尔元件如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，它就成为一个霍尔元件。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
2．霍尔电压U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。
1．自主思考——判一判(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。
(×)(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。
敏感材料
敏感材料所谓敏感材料，是指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。
这类材料的共同特点是电阻率随温度、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。
敏感材料是当前最活跃的无机功能材料，各种传感器的开发应用具有重要意义，对遥感技术、自动控制技术、化工检测、防爆、防火、防毒、防止缺氧以及家庭生活现代化等都有直接的关系。
热敏材料的分类与应用所谓热敏材料,是材料的某些性能岁温度的变化而变化的功能材料.目前可以分为两大类:热敏电阻材料和热释电材料.1.热敏电阻材料热敏电阻材料是指材料的电阻值随温度的变化而变化，又可分为三种情况：（1）材料所具有的电阻值随温度的上升而增大的特性*即具有正温度系数，称为PTC热敏电阻。
典型的PTC热敏甜料系列有BaTiO3、以BaTiO3为基的BaTiO3-SrTiO3-PbTiO3固溶体、以氧化钡和氧化溴为基的多元材料等。
其中以BaTiO3材料最具代表性，它是当前研究得最成熟，实用范围员广的PTC热敏材料。
PTC热敏材料的特殊性能在于通过组成变化，即借助能够改变居里温度的添加剂的多少，可使其居里温度大幅度移动，从而也就扩大了它的使用场合。
如纯BTiO3的常温电阻率为1012 Ω·cm，若在其中加入微量的稀土元素，其常温电阻率可下降到I0-2 一104 Ω·cm。
若温度超过材料的居里温度，则电阻率在几十度的温度范围内能增大3—10个数量级，即产生PTC效应。
PTC材料具有以下三种主要特性，利用其不同的持性可以有不同的用途。
①电阻-温度特性当温度达到举例温度T b时，材料电阻岁温度增加而急剧增加，见图6-1利用这一特性可进行温度控制，过热保护，温度传感，温度补偿和恒温检测以及做马达启动器及高温啊热体等②电流-时间特性指当PTC元件两端加上额定共走电压时，流过元件的电流I与时间t的关系。
敏感材料与传感器
敏感材料与传感器敏感材料与传感器在现代科技应用中扮演着至关重要的角色。
敏感材料是一类能够对外界环境变化做出灵敏反应的材料，而传感器则是一种能够将这些环境变化转化为可感知的信号输出的装置。
敏感材料与传感器的结合，不仅可以实现对各种物理量、化学量甚至生物量的测量，还可以应用于智能控制、环境监测、医疗诊断等领域。
本文将就敏感材料与传感器的相关知识进行探讨，以期对读者有所启发。
首先，敏感材料的种类繁多，包括了热敏材料、光敏材料、压敏材料、湿敏材料等。
这些材料都具有对外界环境变化敏感的特点，比如热敏材料对温度变化敏感，光敏材料对光照变化敏感，压敏材料对压力变化敏感，湿敏材料对湿度变化敏感。
这些敏感材料能够将外界的物理量、化学量或生物量转化为电信号或其他形式的信号输出，为传感器的工作提供了基础。
其次，传感器作为能够将环境变化转化为可感知信号输出的装置，其种类也非常丰富。
常见的传感器包括温度传感器、光敏传感器、压力传感器、湿度传感器等。
这些传感器能够将敏感材料感知到的环境变化转化为电信号、光信号或其他形式的信号输出，从而为人们提供了便利的环境监测、医疗诊断、工业控制等服务。
最后，敏感材料与传感器的结合应用非常广泛。
在工业领域，敏感材料与传感器常常被用于生产过程中的温度、压力、湿度等参数的监测与控制；在医疗领域，敏感材料与传感器可以用于医疗诊断、健康监测等方面；在环境监测领域，敏感材料与传感器可以用于大气污染监测、水质监测等。
可以说，敏感材料与传感器的结合已经深入到了人们的生活和工作中，为人们提供了便利和保障。
综上所述，敏感材料与传感器在现代科技应用中具有重要的地位，其种类繁多、应用广泛。
敏感材料能够对外界环境变化做出灵敏反应，而传感器能够将这些环境变化转化为可感知的信号输出。
敏感材料与传感器的结合已经深入到了人们的生活和工作中，为人们提供了便利和保障。
希望本文对读者有所启发，也希望敏感材料与传感器在未来能够有更广泛的应用。
敏感材料与传感器论文
敏感材料与传感器论文第一篇：敏感材料与传感器论文红外感应材料作者：adverlouis 红外线是一类电磁波的统称，广泛用于指代波长从1mm到770nm之间的电磁波。
在自然界中，任何物体都能够发射红外线，任何物体都会吸收红外线。
红外线在自然界中主要起传播能量的作用，其在物体上的效应主要是热效应。
良好的红外线发射物体同时也是良好的红外线吸收物体。
由于红外线在自然界中的广泛存在，决定了它在自然界和人类社会中的广泛应用。
而对红外线的任何利用离不开对红外线的检测，或者说感应。
在自然界中，很多动物都能够利用红外线来获取信息，正如人类利用可见光来接收信息一样。
蛇类利用舌头上的热感器官来捕捉红外线，蚊子利用头部的红外线感应器来确定猎物位置。
这些是自然界历经千百年变化而衍生出来的生物红外感应器，其精巧型是超出人类解析范围的。
而进入二十世纪以来，自红外线被发现以来，人类也在寻找各种技术来检测红外线，设计了多种多样的红外线传感器。
红外传感器的先进与否由制造传感器采用的红外感应材料决定。
历经接近两百年的发展，红外感应技术也发生了翻天覆地的变化。
最初的时候，人们曾利用红外线的热效来检测红外线，由于当没有半导体材料，人们只好采用热电偶来检测红外线，由于热电偶较低的灵敏性和红外线微弱的热效应，当时的检测效果可想而知。
也有人采用感光胶片来对红外线进行检测，但是红外线的波长较长，光子能量较低，胶片的感光效果并不理想。
直到半导体材料出现，红外检测技术才真正的开始发展起来。
从工作机理上来分，红外感应材料可分为热探测仪和光子型探测仪。
热探测仪利用了红外线的热效应，当红外线照射到热探测仪的敏感材料时，敏感材料的温度就会发生变化，而温度的变化可以转化成一定的电信号输出出来，从而实现了红外信号到电信号的转化。
因为是利用红外线的热效应，热探测的响应时间较长。
但是对波长的要求，即对单光子能量的要求较低，因此热探测的响应范围较广，对于波长超过200um的红外线，热探测仪是唯一的选择。
敏感材料与传感器
敏感材料与传感器敏感材料与传感器在现代科技领域中扮演着至关重要的角色。
敏感材料是一种能够对外界环境变化做出敏感反应的材料，而传感器则是通过对敏感材料的利用，将外界的信息转换为可感知的电信号或其他形式的信号输出，从而实现对外界环境的监测和控制。
本文将探讨敏感材料与传感器在各个领域中的应用，以及它们的发展趋势。
首先，敏感材料与传感器在医疗领域中发挥着重要作用。
例如，生物传感器利用生物敏感材料对生物分子的特异性识别，可以实现对体内生理指标的实时监测，为医生提供了重要的诊断依据。
另外，医用敏感材料的应用也在医疗器械制造和药物传递系统中发挥着重要作用，如可溶性缓释材料和生物可降解材料等，为医疗器械的研发和生产提供了新的可能性。
其次，在环境监测领域，敏感材料与传感器也扮演着不可或缺的角色。
例如，针对大气污染物的监测，利用敏感材料和传感器可以实现对空气中有害气体浓度的实时监测，为环境保护部门提供了重要的数据支持。
此外，水质传感器也可以利用敏感材料对水中各种有害物质进行监测，为水质治理提供了技术支持。
在工业生产领域，敏感材料与传感器也发挥着不可替代的作用。
例如，在智能制造领域，利用敏感材料和传感器可以实现对生产过程的实时监测和控制，提高生产效率和产品质量。
另外，在材料研发和测试领域，敏感材料和传感器也可以实现对材料性能的精确测试和数据采集，为新材料的研发提供了技术支持。
最后，敏感材料与传感器的发展趋势主要体现在以下几个方面。
一是多功能化和智能化，即敏感材料和传感器不仅能够实现单一参数的监测，还可以实现多参数的综合监测，并且具有自适应和自修复的功能。
二是微型化和集成化，即敏感材料和传感器的体积和功耗将进一步减小，可以实现对微小环境的监测和控制。
三是网络化和互联化，即敏感材料和传感器可以实现远程监测和控制，为智能城市和智能制造提供技术支持。
综上所述，敏感材料与传感器在各个领域中发挥着重要作用，并且具有广阔的发展前景。
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氧化物半导体 引线
电极 引线
加热器
基片
引线
电极 单位： mm
引线
图15.8 薄膜型气敏器件的结构
厚膜型气敏器件
厚膜型气敏器件是将SnO2和 ZnO等材料与3％～15％重量 的硅凝胶混合制成能印刷的 厚膜胶，把厚膜胶用丝网印 制到装有铂电极的氧化铝基 片上，在400～800℃高温下 烧结1～2小时制成 优点：一致性好，机械强度 高，适于批量生产
绝对湿度（AH）
绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其 数学表达式为
Ha mV V
绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。
相对湿度（RH）
相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与 相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其数学表达式 为：
PV HT 100% PW
相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。
气体选择性好，但不能重 复使用
光干涉式
寿命长，但选择性差 构造简单，但灵敏度低， 选择性差 能定性测量，但装置大， 价格高
热传导式
红外线吸收 散射式
6.1.2 半导体式气敏传感器的工作原理
半导体式气敏传感器：
利用半导体气敏元件同气体接触，造成 半导体性质发生变化的原理来检测特定 气体的成分或者浓度 电阻式 非电阻式
第六章 传感器与敏感材料
化学传感器：能将各种化学物质特性的变化定 性或定量地转化为电信号的传感器
气体浓度 离子浓度 空气湿度
6.1 气敏传感器 6.2 湿敏传感器
6.1 气敏传感器
6.1.1 气敏传感器的基本概念及分类
气敏传感器的定义：
是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体 种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱
(a)主视图
(b)俯视图
Pd—MOSFET气敏器件结构示意图
原理
由于钯对H2吸附性很强，而H2在钯上的吸附将导致钯 的功函数下降，从而引起阀值电压发生改变。Pd— MOSFET气敏传感器正是利用H2在钯上吸附后引起阀值 电压下降这一特性来检测H2浓度的。吸附氢后其阀值 电压的变化值与环境中的氢分压（Pa）之间满足如下 K PH 关系 U T = U T 1 K PH
2
4 (b) 符号
2 4
图15.6 直热式气敏器件的结构和符号
旁热式气敏器件
旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内， 在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导 体材料，就构成了器件 克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高
电极 加热器 电极 电极 测 量 电 极 加热丝 (b) 符号 加热丝
一个理想的湿敏传感器应具备的性能
使用寿命长，稳定性好 灵敏度高，线性度好，温度系数小 使用范围宽，测量精度高 响应迅速 湿滞回差小，重现性好 能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好 器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低 器件感湿特征量应在易测范围内
湿敏传感器的主要参数及特性
SnO2的灵敏度特性和温－湿度特性
SnO2气敏电阻的基本检测电路
主要类型
烧结型气敏器件
薄膜型气敏器件
厚膜型气敏器件
烧结型气敏器件
烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料 （SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合 剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状 物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方 法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外 壳就构成器件。 该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。
MOS二极管气敏传感器
在P型半导体硅芯片上， 采用热氧化工艺生成一层 厚度为50～100nm左右的 SiO2层，然后再在其上蒸 发一层钯金属薄膜作为栅 电极。由于SiO2层电容 Cα x是固定不变的，Si— SiO2界面电容Cx是外加电 压的函数，所以总电容C 是栅极偏压U的函数，其 函数关系称为MOS管的电 容—电压特性（即C—U特 性）。
单位： mm
氧化物半导体 电极 基片
加热器（印刷厚膜电阻） 图15.9 厚膜型气敏器件的结构
电阻式气敏传感器的特点
优点：
工艺简单，价格便宜，使用方便； 气体浓度发生变化时响应迅速； 即使是在低浓度下，灵敏度也较高。 稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的 特性差异大等。
缺点：
图15.6 MOS二极管气敏器件 结构和等效电路
图6.7 MOS二极管气敏器件 的C—U特性 a—吸附H2前 b—吸附H2后
当传感器工作时，由于钯在吸附H2后，会使钯的功函数 降低，从而引起MOS管的C—U特性向负偏压方向平移，如 图6.7所示，由此可测定H2浓度。
Pd—MOSFET气敏传感器
露点（温度）
在一定大气压下，将含有水蒸气的空气 冷却，当温度下降到某一特定值时，空 气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气 态变成液态而凝结成露珠，这种现象称 为结露，这一特定温度就称为露点温度
湿敏传感器的定义 就是一种能将被测环境湿度转换成电信 号的装置 主要由两个部分组成：湿敏元件和转换 电路，除此之外还包括一些辅助元件，如 辅助电源、温度补偿、输出显示设备等
半导体式气敏传感器可分为：
烧结型 电阻式 半导体式气敏传感器 二极管气敏传感器 非电阻式 MOS二极管气敏传感器 Pd—MOSFET气敏传感器 图6.1 半导体式气敏传感器的分类 薄膜型 厚膜型
（1）电阻式气敏传感器
基本原理
是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制 成的。 当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时， 被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子 被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸 附）。
电极 陶瓷绝缘管
绕结体
(a) 结构
图15.7 旁热式气敏器件的结构和符号
薄膜型气敏器件
制作采用蒸发或溅射的方 法，在处理好的石英基片 上形成一薄层金属氧化物 薄膜（如SnO2、ZnO等）， 再引出电极。实验证明： SnO2和ZnO薄膜的气敏特性 较好 优点：灵敏度高、响应迅 速、机械强度高、互换性 好、产量高、成本低等
6.2.2 常用湿敏传感器的基本原理
电阻式湿敏传感器 电容式湿敏传感器
电阻式湿敏传感器
电阻式湿敏传感器是利用器件电阻值随 湿度变化的基本原理来进行工作的，其 感湿特征量为电阻值。 根据使用感湿材料的不同，电阻式 湿敏传感器可分为： 电解质式 陶瓷式 高分子式
便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。
气敏传感器的性能要求：
对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等
气敏传感器的主要参数及特性
灵敏度：对气体的敏感程度 响应时间 ：对被测气体浓度的响应速度 选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力 稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时 间内气敏元件输出特性保持不变的能力 温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性 湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性 电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性； 同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性
感湿特性 湿度量程 灵敏度 湿滞特性 响应时间 感湿温度系数 老化特性
Байду номын сангаас
感湿特性
湿滞特性
湿敏传感器的分类
电解质式 电阻式 陶瓷式 高分子式 陶瓷式
湿敏传感器
电容式 高分子式 光纤湿敏传感器 其它 界限电流式湿敏传感器
二极管式、石英振子、SAW式、微波式、热导式等
图6.14 湿敏传感器的分类
声光报警 驱动 电 路
喇 叭
闪光指示
图6.14 自动通风扇的原理框图
家用有毒气体报警器
图6.15 家用有毒气体报警器电路图
6.2 湿敏传感器
6.2.1 湿敏传感器的基本概念及分类 6.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 6.2.3 湿敏传感器的应用
湿度的定义及其表示方法
所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。 它通常有如下几种表示方法： 绝对湿度（AH） 相对湿度（%RH） 露点
利用化学溶剂与气体反应产生 的电流、颜色、电导率的增加 等 利用与空气的折射率不同而产 生的干涉现象 根据热传导率差而放热的发热 元件的温度降低进行检测 由于红外线照射气体分子谐振 而吸收或散射量进行检测
燃烧气体
化学反应式
CO、H2、CH4、C2H5OH、 SO2等 与空气折射率不同的 气体，如CO2等 与空气热传导率不同 的气体，如H2等 CO、CO2等
2 m 2
式中：U Tm——Pd—SiO2界面吸附氢原子达到饱和时，U T 变 化的最大值； K——氢分子离解的平衡常数。
6.1.3 气敏传感器的应用
自动通风扇
图6.13 TGSl09型气敏传感器结构图
油烟 (煤气)
气敏 电阻
放大 电路
比较器 电路
触发 电路
晶闸管 电路
排风 扇
加热 电源
温度 补偿
当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体 (CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而 使电阻值增大。 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化 型气体吸附到P型半导体上时，则载流子 增多，使半导体电阻值下降。