传感器材料与典型结构

传感器材料与典型结构
一、传感器材料
传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料四大类。

半导体传感器材料主要是硅，其次是锗、砷化镓、锑化铟、碲化铅、硫化镉等。

主要用于制造力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器。

陶瓷传感器材料主要有氧化铁、氧化锡、氧化锌、氧化锆、氧化钛、氧化铝、钛酸钡等，用于制造气敏、湿敏、热敏、红外敏、离子敏等传感器。

金属用作传感器的功能材料不如半导体和陶瓷材料广泛，主要用在机械传感器和电磁传感器中，用到的材料有铂、铜、铝、金、银、钴合金等。

有机材料用于传感器还处在开发阶段，主要用于力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器，所用材料有高分子电解质、吸湿树脂、高分子膜、有机半导体聚咪唑、酶膜等。

依据传感器材料的功能特性可制成各种传感器，按工作原理可分为物理传感器和化学传感器两大类，前者利用吸力、热、光、电、磁和声等物理效应，后者则利用化学反应的原理。

由于很多材料既具有物理特性又具有化学特性，因此很难进行严格的分类。

物理传感器应用范围广泛，其中的力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、称重传感器、测位传感器、位移传感器、接近传感器和加速度传感器等是社会生活中常见的传感器。

二、传感器典型结构
传感器通常由敏感元件、转换元件及基本转换电路三部分组成。

敏感元件是指能直接感受被测量的部分，它将被测量转换成可供传输的其他量（如光、电等）；转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量（如电压、电流、电阻等）；基本转换电路则
将电路参量转换成便于测量的电量，它完成传感器与测量仪表之间的电路连接、信号放大与传输、阻抗匹配等。

图1是传感器的典型结构框图，人们通常只把传感器系统简化为敏感元件和转换元件两部分而忽略基本转换电路。

（一）敏感元件
敏感元件是直接感受被测量，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出量的元件。

敏感元件是传感器的核心元件，其性能（如灵敏度、精确度、抗干扰能力、可靠性、稳定性、时间漂移、温度漂移、响应时间等）在很大程度上决定了传感器的性能。

根据工作原理的不同，敏感元件可分为物理类敏感元件和化学类敏感元件两大类。

物理类敏感元件利用其材料的某种物理效应（如热、光、电、磁、力等）实现信号的转换，如热敏电阻、光敏电阻、压电元件、霍尔元件等。

化学类敏感元件利用其材料的化学效应，通过化学反应来识别被测气体，如气敏传感器中的催化燃烧式、半导体式、电化学式等类型的传感器均使用了化学类敏感元件。

（二）转换元件
转换元件是将敏感元件的输出量转换成电路参数（如电压、电流、电阻等）的元件。

转换元件是传感器的重要组成部分，其性能直接影响到传感器的性能。

常见的转换元件有电阻、电容、电感、光电池、二极管、三极管等。

需要注意的是，有些传感器的敏感元件和转换元件是合二为一的，即它们的功能是由同一个元件实现的。

例如，热电偶传感器中的热电偶丝既是敏感元件又是转换元件；压电传感器中的压电晶体既是敏感元件又是转换元件；霍尔传感器中的霍尔元件既是敏感元件又是转换元件等。

（三）基本转换电路
基本转换电路是将转换元件的输出量转换成便于传输和处理的电信号的电路。

基本转换电路通常由信号预处理电路、信号放大电路和输出电路三部分组成。

1. 信号预处理电路：对转换元件输出的电信号进行预处理，如滤波、去噪、整形等，以保证信号的质量。

2. 信号放大电路：对预处理后的信号进行放大，以满足后续处理电路对信号幅度的要求。

3. 输出电路：将放大后的信号转换成标准的输出信号（如电压、电流等），以便与测量仪表或其他系统连接。

需要注意的是，不同类型的传感器其基本转换电路的形式和复杂程度可能会有所不同。

有些传感器的基本转换电路可能比较简单，只需要进行简单的信号放大和输出即可；而有些传感器的基本转换电路可能比较复杂，需要进行多级的信号处理和放大。

三、传感器的应用领域
传感器作为一种检测装置，能够实现信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等功能，是自动化系统中不可缺少的部件。

传感器的应用领域非常广泛，几乎涵盖了所有需要获取信息的领域。

在工业生产中，传感器被广泛应用于各种自动化生产线和设备中，用于检测和控制生产过程中的各种参数（如温度、压力、流量、位移等），以提高生产效率和产品质量。

在汽车电子领域中，传感器被用于实现汽车的智能化和安全性能提升，如发动机控制、刹车系统、安全气囊等都需要使用到传感器。

在航空航天领域中，传感器被用于实现飞行器的导航、控制、监测等功能。

在医疗健康领域中，传感器被用于实现医疗设备的监测和控制（如心电图机、血压计等），以及实现远程医疗和健康监测等功能。

此外，在环境监测、智能家居、安全防护等领域中也可以看到传感器的广泛应
用。

随着物联网技术的不断发展，传感器的应用将会更加广泛和深入。

物联网技术通过将各种物体与互联网连接起来实现信息的共享和交换，而传感器则是物联网中获取信息的重要手段之一。

未来随着物联网技术的不断普及和推广以及人们对于智能化生活的需求不断提高，传感器将会在家庭生活、城市交通、环境监测等领域中发挥更加重要的作用。

总之，传感器作为一种重要的检测装置在各个领域中都发挥着不可替代的作用。

随着科技的不断进步和发展以及人们对于智能化生活的需求不断提高，相信传感器的应用前景将会更加广阔和美好。