半导体敏感元件(温敏)
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类传感器的分类方法很多．主要有如下几种：（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。
这种分类有利于选择传感器、应用传感器（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。
这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。
（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。
这种分类法可分出很多种类。
（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。
其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。
传感器数字化是今后的发展趋势。
（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。
若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。
（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。
主要特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。
微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。
主要功能常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、传感器（图1）流体传感器——触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
化学类，基于化学反应的原理。
生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。
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。
半导体敏感元件(热敏元件与温度传感器)
为了提高温度传感器的可靠性，可以采用耐极端环境的材料和制造工艺，优化结构设计，加强品质控制等方法。此外，定期检查和维护也是保持传感器可靠性的重要措施。
要点三
可靠性问题
06
未来展望
利用纳米材料的高敏感性和稳定性，提高热敏元件和温度传感器的精度和可靠性。
纳米材料
复合材料
生物材料
探索新型复合材料，结合不同材料的优点，实现更广泛的温度测量范围和更高的稳定性。
利用生物材料的独特性能，开发具有生物相容性和环保性的热敏元件和温度传感器。
03
02
01
新材料的应用
研究先进的薄膜工艺，降低热敏元件和温度传感器的制造成本，提高生产效率。
薄膜工艺
利用微纳加工技术，实现热敏元件和温度传感器的微型化和集成化，提高其响应速度和灵敏度。
微纳加工技术
开发具有柔性的热敏元件和温度传感器，适应不同应用场景的需求，如可穿戴设备和生物医疗领域。
磁阻元件
磁阻元件是一种利用磁性材料电阻变化的传感器，其电阻值随温度变化而变化。磁阻元件具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点，常用于高精度温度测量和控制系统。
热磁效应
04
温度传感器的应用
工业生产过程中需要对温度进行精确控制，以确保产品质量和生产效率。温度传感器可以实时监测生产设备的温度，并将数据反馈给控制系统，实现精确的温度控制。
详细描述
要点三
总结词
可靠性问题是指温度传感器在特定条件下能否正常工作的问题，涉及到传感器的使用寿命和故障率。
要点一
要点二
详细描述
温度传感器的可靠性问题主要与其工作环境和内部结构有关。在高温、低温、高湿、高压等极端环境下，传感器可能会出现故障或性能下降。此外，传感器的结构设计、制造工艺和材料选择也会影响其可靠性。
温度传感器实验
实验二（2）温度传感器实验实验时间 实验编号 无 同组同学 邓奡一、实验目的1、了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN 结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理；2、掌握热电偶的冷端补偿原理；3、掌握热电偶的标定过程；4、了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。
二、实验原理1、热电偶测温原理由两根不同质的导体熔接而成的，其形成的闭合回路叫做热电回路，当两端处于不同温度时回路产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。
试验中使用两种热电偶：镍铬—镍硅（K 分度）、镍铬—铜镍（E 分度）。
图所示为热电偶的工作原理，图中：T 为热端，0T 为冷端，热电势为)()(0T E T E E AB AB t -=。
热电偶冷端温度不为0℃时（下式中的1T ），需对所测热电势进行修正，修正公式为：),(),(),(0110T T E T T E T T E +=,即：实际电动势+测量所得电动势+温度修正电势对热电偶进行标定时，以K 分度热电偶作为标准热电偶来校准E 分度热电偶。
2、铂热电阻铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在C 650T C 0︒≤≤︒时，)1(20BT AT R R T ++=,式中：T R ——铂热电阻在T ℃时的电阻值0R ——铂热电阻在0℃时的电阻值 A ——系数（=C ︒⨯/103.96847-31） B ——系数（=C ︒⨯/105.847--71）3、PN 结温敏二极管半导体PN 结具有良好的温度线性，PN 结特性表达公式为：γln be ekTU =∆， 式中，γ为与PN 结结构相关的常数；k 为波尔兹曼常数，K J /1038.1k 23-⨯=； e 为电子电荷量，C 1910602.1e -⨯=； T 为被测物体的热力学温度（K ）。
当一个PN 结制成后，当其正向电流保持不变时，PN 结正向压降随温度的变化近似于线性，大约以2mV/℃的斜率随温度下降，利用PN 结的这一特性可以进行温度的测量。
敏感元器件及传感器制造方案(一)
敏感元器件及传感器制造方案一、实施背景随着科技的飞速发展，传感器和敏感元器件在各个行业中的应用越来越广泛，尤其在自动化、物联网、人工智能等领域。
中国作为全球最大的制造业国家，对敏感元器件及传感器的需求量巨大。
然而，目前国内敏感元器件及传感器的制造工艺和性能与国际先进水平仍存在一定差距。
为提升国内敏感元器件及传感器的产业竞争力，本方案旨在从产业结构改革的角度，提出一套全面的制造方案。
二、工作原理敏感元器件和传感器的主要工作原理是物理效应和化学反应。
例如，压敏电阻是基于电阻值随压力变化而变化的物理效应；气敏传感器则是利用化学反应检测气体成分。
为提高敏感元器件及传感器的性能，应从材料选择、结构设计、制造工艺等方面进行优化。
三、实施计划步骤1.市场调研与分析：了解国内外敏感元器件及传感器的市场需求、发展趋势和竞争格局。
2.技术研发：投入研发资源，提升敏感元器件及传感器的核心技术，如材料科学、纳米技术、生物技术等。
3.产学研合作：与高校、科研机构建立紧密合作关系，共同推进技术研发和产业化。
4.产业化转化：将研究成果转化为实际产品，实现产业化。
5.品质控制与优化：建立严格的品质控制体系，持续优化产品性能。
6.市场推广与销售：通过各种渠道进行市场推广，提高产品销售量。
四、适用范围本方案适用于敏感元器件及传感器的制造企业，以及有志于进入该领域的高校、科研机构和其他组织。
五、创新要点1.新材料应用：积极探索新型敏感材料和传感器材料，如石墨烯、纳米线等。
2.制造工艺创新：引入先进的制造工艺，如微纳加工技术、3D打印技术等，提高产品性能和生产效率。
3.智能化升级：结合物联网、大数据、人工智能等技术，实现敏感元器件及传感器的智能化升级，提高其测量精度和稳定性。
4.绿色环保：注重环保生产，采用环保材料和绿色工艺，降低生产过程中的能耗和排放。
5.产业协同创新：搭建产业协同创新平台，实现产学研用协同创新，加速技术成果转化。
六、预期效果1.提升产品性能：通过新材料和制造工艺的应用，提高敏感元器件及传感器的测量精度、灵敏度和稳定性。
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类传感器的分类方法很多．主要有如下几种：（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。
这种分类有利于选择传感器、应用传感器（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。
这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。
（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。
这种分类法可分出很多种类。
（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。
其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。
传感器数字化是今后的发展趋势。
（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。
若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。
（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。
主要特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。
微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。
主要功能常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、传感器（图1）流体传感器——触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
化学类，基于化学反应的原理。
生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。
热敏电阻温度传感器的设计与调试实验报告思考题
热敏电阻温度传感器的设计与调试实验报告思考题大学热敏电阻实验报告大学热敏电阻实验报告摘要：热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，具有许多独特的优点和用途，在自动控制、无线电子技术、遥控技术及测温技术等方面有着广泛的应用。
本实验通过用电桥法来研究热敏电阻的电阻温度特性，加深对热敏电阻的电阻温度特性的了解。
关键词：热敏电阻、非平衡直流电桥、电阻温度特性1、引言热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件，其电阻温度系数一般为（-0.003~+0.6）℃-1。
因此，热敏电阻一般可以分为:Ⅰ、负电阻温度系数（简称NTC）的热敏电阻元件常由一些过渡金属氧化物（主要用铜、镍、钴、镉等氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的，近年还有单晶半导体等材料制成。
国产的主要是指MF91~MF96型半导体热敏电阻。
由于组成这类热敏电阻的上述过渡金属氧化物在室温范围内基本已全部电离，即载流子浓度基本上与温度无关，因此这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度的升高，迁移率增加，电阻率下降。
大多应用于测温控温技术，还可以制成流量计、功率计等。
Ⅱ、正电阻温度系数（简称PTC）的热敏电阻元件常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺，高温烧制而成。
这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对可以忽略。
载流子数目随温度的升高呈指数增加，载流子数目越多，电阻率越小。
应用广泛，除测温、控温，在电子线路中作温度补偿外，还制成各类加热器，如电吹风等。
2、实验装置及原理【实验装置】FQJ—Ⅱ型教学用非平衡直流电桥，FQJ非平衡电桥加热实验装置（加热炉内置MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）以及控温用的温度传感器），连接线若干。
【实验原理】根据半导体理论，一般半导体材料的电阻率和绝对温度之间的关系为（1—1）式中a与b对于同一种半导体材料为常量，其数值与材料的物理性质有关。
Z元件
Z元件有温敏、力敏、光敏和磁敏等类型，磁敏Z元件使用电阻率较高的掺磷N型半导体材料，通过扩散工艺进行AI扩散形成PN结，然后再进行重金属(金)穿透扩散，其基本电路和伏安特性曲线。
当PN结正向偏置时，即给Z元件施加正向电压，首先电流随电压的增加而增大，Z元件的工作状态进入区，表现为高阻值特性；当电压继续增大时，电流开始缓慢的增大，这时PN结上的电压开始下降，Z元件的工作状态进入b区；当电压继续增大时，Z元件内的电流快速增加，Z元件的工作状态进入c区，即稳定区，在该稳定区内Z元件对磁场敏感，所以磁敏Z元件的工作区便选在此区域。
温敏Z-元件在气象测温中的应用慧聪网 2005年3月11日14时1分信息来源：传感器世界摘要：本文介绍了温敏Z－元件的参数性能、特点以及使用方法。
为适应气象行业的特殊要求，对一种微型高精度电池供电的低功耗测温装置进行了设计和开发。
关键词：Z－元件; 温度传感器; 气象测温中图分类号：TP212.11 文献标识码：A一、前言温度是气象中重要的物理参数之一，其重要性在所有物理参数中占据首位。
如地面环境温度测量，高空气温测量和地表及地下温度测量等。
气象测温是一个特殊的领域，对测量精度要求高，因此，测温元件应具有较高的灵敏度，对气象环境中的高速流体的测量有较高的可靠性和适应性，而且体积小巧、重量轻，用电池供电时功耗较低。
因此，测温元件的选型和对测试方法的研究十分重要。
目前可供选择的测温元件有热敏电阻、半导体测温PN结和新兴起的半导体IC测温传感器。
其中，半导体IC温度传感器仅适合安装在印制版上，与被测对象接触时会引进附加误差，测量精度不高，一般为±2%～3%；热敏电阻成本低，体积小，经严密的辅助设计与调校也能达到一定精度要求，但由于其非线性与功耗大的缺点，一般不适合在高精度和低功耗场合应用;测温PN结的线性度和灵敏度都优于普通PN结，也能做到较低的功耗，但其测温灵敏度仍较低（一般-4mV/℃），很难达到较高的的分辨率和测温精度。
集成传感器(包括压敏、磁敏、温敏、光敏传感器)
d ——两平行极板之间的距离； ——极板间介质的介 电常数；
0 ——真空介电常数（8.854×10-12 F•m-1） r ——介质相对真空的介电常数， r空气≈1，其它介质r
>1。
两种极板结构
圆形膜结构：将敏感电容和参 考电容分开，两个电容的硅膜 半径均为a，电容极板的半径 均为b。 环形膜结构：将两种电容器合 二为一，它在半径为a的硅膜 上镀制半径为b1的圆形电极 板，作为测量电容；在测量电 容极板的外围镀制内、外径分 别为b2和b3的同心圆环，作 为参考电容。
2、温度测量电路 PTAT核心电路的关键在于 两管的集电极电流密度之比 （Jc1/Jc2）不随温度变化，为 此，供电电源采用电流镜。 电流镜由结构、特性和发射 结偏压完全相同的BG3、BG4 组成，若两只管子的输出阻抗 和电流增益均为无穷大，流过 BG1和BG2的集电极电流在任 何温度下始终相等。
敏感电容：Cx； 补偿电容：C0(温 度影响）
2、测量电路
电容变化→电信号
1）电容→电压:采用交流电源激励，并通过
整流电路来检出电容的变化，得到与电容有 关的电压信号，用电压信号反映出外部压力 的变化。
2）电容→频率:将压力敏感电容作为振荡电
路的电容元件，压敏电容的变化引起该电压 力敏感电容作为振荡路振荡频率的变化，这 样可以用频率信号的形式反映外部压力的变 化。
5.1
集成压敏传感器
集成压敏传感器依照敏感元件的不
同分为两类：
1）硅电容式集成压敏传感器：敏 感元件为电容式元件 2）扩散硅集成压敏传感器：敏感 元件为电阻式压敏元件
一、硅电容式集成传感器
构成：硅压力敏感电容器、转换 电路和辅助电路三部分构成。 首先由敏感电容器所传感的电容 量信号经转换电路转换成电压信号，再 由后继信号调理电路处理后输出。
传感器的敏感材料与敏感元件介绍PPT公开课(71页)
的变化规律（ƒ=1kHz）
系统中所出现的一些实验现象为ER效应对电场强度、微粒
对于凝胶球来说，具有可逆形变能力且用于生物物质的工
图3-3硅胶的电阻与表面氢氧基浓度关系
3）物理吸附水量
电传导是由含有活化过程的质子或水和质子之间进行的。质
子的生成是由吸附水的解离而成，则电导率σ满足下列关系
式：
0
exp(
❖ （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-
图3-7 杂质（ MgO ）对电阻率的影响
高分子/碳纳米管复合物可以提高碳纳米管的气体响应灵敏度、
新型葡萄糖敏感水凝胶的
氢氧基浓度的增加电阻逐渐增 图3-65出的是一个ERF液压活塞（液压动力滑阀）系统的
高分子凝胶由具有弹性的交联高分子网络组成，有着固
大的。 图3-33 电阻型湿度传感器结构
图3-49 压力与力敏橡胶电阻的关系曲线
3）改变陶瓷自身的物性。
❖ （3）改善陶瓷湿敏特性的方法
1）在陶瓷基体中引入强酸性离子：可以有效降低湿度敏感 材料的电阻，但这种质子是可能与碱离子进行交换的，对 传感器的稳定性不利。
2）在陶瓷基体中引入碱离子来降低陶瓷的体电阻。如在 ZrSiO4烧结体中通过XH2PO4（X=H、Na、K）的方式引 入碱离子，其电阻对应于湿度都呈指数式下降。
3）改变陶瓷自身的物性。如超离子导电体Na3Zr2Si3PO12及 其类似化合物，对于空气、湿度有良好的稳定性，在干燥 状态下易得到1ΜΩ·cm以下的电阻率。
❖ 2 尖晶石型陶瓷敏感材料 （1）尖晶石型结构 尖晶石的结构化学通式为AB2O4。按A在晶体结构中所处的 位置不同可分为正尖晶石（基本属于绝缘体）、反尖晶石 （电导率最大，通常为半导体）和半反尖晶石（电导率小于 全反尖晶石）。 尖晶石的晶胞结构如图3-5所示。 每个晶胞有32个氧离子（O2-）， 16个B3+，8个A2+。每个晶胞有8 个立方单元组成。
第十一章 常用的敏感元器件
在教室里，大家都时常开着灯，浪费 资源，可以利用光敏三极管附加电磁 继电器来完成一个电路，当亮度达到 一定程度，灯就无法正常启劢，达到 节约能源目的。
热敏电阻
光敏电阻
气敏器件 3
湿敏元件
气敏电阻是一种气—电转换器件，相当 于一个对气体敏感的可变电阻，任务是 测量气体的类别、浓度和成分。 外层的不锈钢丝网具有防爆作用。气敏元器 件广泛应用在气体检测、煤矿瓦斯浓度的检 测与报警、煤气泄漏、火灾报警灯方面。
磁敏电阻
力敏电阻
敏感元件型号 命名规定 7
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气敏电阻传感器由气敏元器件、加热器和封 装体3部分组成，加热器的作用是将附着在 敏感元器件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加 速气体的吸附，
热敏电阻
光敏电阻
气敏器件 4
湿敏元件
湿度测量和控制是人们生产和生活中的需求之一。例如，仓库的湿度过高就 会使存放的物资变质；在粉尘作业的车间里，由于湿度过低而产生的静电会 导致爆炸事故。另外，环境的湿度过高或过低都会使人不舒适，因此，现在 的空调也能控制空气的湿度，由上可知，湿敏元器件的应用领域十分宽广。 湿敏元件制成的原理只要是利用湿敏材料吸 收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化 而制成的。
热敏电阻
光敏电阻 2
气敏器件
湿敏元件
光敏三极管和普通三极管相似，只是它 的集电极电流不仅受基极电路和电流控 制，同时也受光信号的控制。当具有光 敏特性的PN结受到光线照射时，形成 光电流。
光敏三极管实质是在光敏二极管的基础上 加了一级放大，从而大大提高光电转换的 灵敏度，由于三极管有电流放大的作用， 集电极电流可达基极电流的几十倍，因此， 光电三极管具有较高的灵敏度。
十一、常用的敏感元器件
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类传感器的分类方法很多．主要有如下几种：（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。
这种分类有利于选择传感器、应用传感器（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。
这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。
（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。
这种分类法可分出很多种类。
（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。
其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。
传感器数字化是今后的发展趋势。
（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。
若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。
（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。
主要特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。
微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。
主要功能常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、传感器（图1）流体传感器——触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
化学类，基于化学反应的原理。
生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。
敏感元器件及传感器专用材料研发制造方案(二)
敏感元器件及传感器专用材料研发制造方案一、实施背景随着物联网、人工智能、大数据等技术的快速发展，传感器作为实现这些技术的重要元件，市场需求不断增长。
为满足市场需求，提高传感器性能，降低成本，敏感元器件及传感器专用材料的研发制造成为行业发展的关键。
本方案旨在从产业结构改革的角度，阐述敏感元器件及传感器专用材料的研发制造方案。
二、工作原理敏感元器件是指能感受并响应外部物理、化学或生物刺激的元件，如光敏、热敏、压力敏等。
传感器则是由敏感元器件组成的装置，用于转换物理、化学或生物量到电信号。
专用材料则是用于制造这些敏感元器件和传感器的特定材料。
工作原理主要是利用材料的特性，如压电效应、热电效应、光电效应等，将外部刺激转化为电信号。
例如，压电材料在受到压力时会产生电信号，热电材料则在温度差异下产生电流。
三、实施计划步骤1.市场调研与需求分析：了解当前市场需求，分析潜在市场机会，明确产品定位和目标客户。
2.技术研究与开发：开展新材料研究，开发新的制造工艺，提高敏感元器件和传感器的性能和降低成本。
3.专用材料选型与优化：基于实验结果，选择合适的材料并进行优化，确保其性能和成本符合市场需求。
4.中试生产：在实验室成功后，进行小规模的生产试验，验证生产流程和产品质量。
5.产业化推广：根据中试结果，优化生产流程，进行大规模生产，并开展市场推广。
四、适用范围本方案适用于传感器、电子元器件制造、半导体等领域。
具体应用包括但不限于医疗设备、汽车电子、环境监测、物联网等领域。
五、创新要点1.新材料应用：引入新型材料，如纳米材料、生物相容材料等，提高传感器性能或开辟新的应用领域。
2.智能化制造：利用先进的自动化设备和智能化技术，提高生产效率，降低成本，并确保产品质量。
3.定制化设计：根据客户需求，提供定制化的敏感元器件和传感器设计服务，满足客户的特定需求。
4.产业链协同：与上下游企业紧密合作，共同开发新产品，优化产业链结构，提高整体竞争力。
半导体敏感元件(湿度)
高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构
高分子薄膜
上部电极
下部电极
9.高分子湿度传感器
传感器特性
沈 阳 工 业 大 学
（1）电容—湿度特性
传感器的电容量变化很大, 线性度欠佳,可外接 转换电路, 电容—湿度特性趋于理想直线。
C/pF 350 （f=1.5MHZ） 300 250
（2）响应特性
高分子薄膜可以做得极薄，吸湿响应时间都 200 很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。
感湿机理 沈 阳 工 业 大 学
可得：
C2 R 2 2 C P C0 2 2 (R 1 R 2 ) 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
2 R1 R 2 2 C2 R1 R 2 1 1 2 2 2 R p R 0 (R 1 R 2 ) 2 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
湿敏二极管
沈 阳 工 业 大 学
结构 表面态能级填充引 起肖特基势垒变化。 I-V曲线
8半导体结型和MOS型湿敏元件
湿敏MOSFET
（MOSFET）的栅极上涂覆一层感湿薄膜，再在感湿薄膜上增
设一个金属电极构成。
沈 阳 工 业 大 学
湿敏MOSFET是N沟道耗尽型，在栅 压为零时，有沟道存在，工作时，无需外
沈 阳 工 业 大 学
湿度传感器
课程内容
1 湿度表示方法
沈 阳 工 业 大 学
2 湿敏传感器分类
3 湿度传感器的主要参数 4 几种常用测量湿度方法 5 半导体陶瓷湿敏元件 6 元素半导体湿敏元件
7 半导体结型和MOS型湿敏元件
8 分子湿度传感器 9 湿敏传感器的应用 10 典型湿度传感器
半导体敏感元件(温敏)解读
7. IC温度传感器
工作原理分析
改进型集成电路对管温度传感器
沈 阳 工 业 大 学
根据镜像电流源原理 Ic1=Ic2=Ic3=Ic4=I1
晶体管的反向饱和电流与发射结面积成正比
Is3=γIs4
q q Ic3 Is3 exp Vbe3 (1) Ic4 Is4 exp Vbe4 (2) KT KT
玻璃管温度计
双金属温度计
1.概述
温标 －用来度量物体温度数值的标尺。
沈 阳 工 业 大 学
规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际 上用得较多的温标有经验温标(华氏温标、摄氏温标等)、热力学温标。 摄氏温标：单位为oC； 华氏温标：水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180等份，对应每份
结构：热电极 + 绝缘材料 + 金属保护套
学 特点：可以弯曲，挠性好，强度高，测端热容量小，动态响应快(0.01s)。
c) 薄膜型热电偶：
具有热容量小, 反应速度快等特点, 热响应时间达到微秒级。
2.热电偶（thermocouple）
2.4 热电偶结构
沈 阳 工 业 大 学
普通工业热电偶 普通工业热电偶
本征载流子浓度与温度的关系 ni=CT3/2exp(-Eg0/2kT)
qV g 0 KT
I s AqCT 3e
Dp D ( n ) BT 3e Ln N A L p N D
qV g 0 KT
I F BT e
qVg 0 qU f 3 KT KT
KT BT 3 U f Vg 0 ln q If
9 的温度为1华氏度。摄氏温度和华氏温度的关系为：t F t C 32 5
(复旦整理)温敏传感器
B得到电子带负电，从而产生热电动势，称为珀耳帖效应。
A＋
EAB（ T ）
自由 电子
B
图 3-3 两种不同金属的接触
第3章 温敏传感器
3.1
基本概念
3.2
热电偶传感器
3.3 电阻型温度传感器
3.4 半导体PN结型温度传感器
温敏传感器
温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生 活中准确的温度是不可缺少的信息内容，家用电器涉 及温度测量和控制的有：电饭煲、电冰箱、空调、微 波炉、电热水器等。
3.1 基本概念
1
：定义为将1克水从14.5℃升高到15.5 ℃所需的热量。( 英制：BTU定义为将1磅水从63°F升高到64°F所需的热量）。
其它一些常用的热能单位：1焦耳=0.2389卡=9.481×10-4BTU，
基本概念-温热力学相关概念
▪ 热传递方式：三种
(1)传导：指热量在固体内或静止的液体内通过扩散来传播的方式。
3.2 热电偶传感器
1
热电效应
2
热电偶基本定律
3
热电偶基本结构
4 热电偶冷端温度误差及其补偿
5 热电偶实用测量电路
热电偶传感器-热电效应
工作原理演示
热电极A
左端称为：测
量端（工作端、
A
热端）
热热电电极势B
热电极B
右端称为：自
由端（参考端、
冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电（动）势。
WSP2110型半导体有机蒸汽敏感元件
WSP2110 VOC 气体传感器产品描述WSP2110型气体传感器是VOC 气体传感器。
采用多层厚膜制造工艺，在微型Al 2O 3陶瓷基片上的两面分别形成加热器和金属氧化物半导体气敏层，用电极引线引出，经TO-5金属外壳封装而成。
当环境空气中有被检测气体存在时传感器电导率发生变化，该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。
采用简单的电路即可将这种电导率的变化转换为与气体浓度对应的输出信号。
特点甲苯、苯、甲醛等有机气体灵敏度高； 响应、恢复快； 迷你型、低功耗； 检测电路简单； 稳定性好、寿命长。
主要应用用于家庭环境的有害气体检测自动排风装置、空气清新机等。
技术指标 传感器示意图图1 结构及外形尺寸测试原理电路 机械性能* 振动：频率-1000次/分，全振幅-4mm, 持续时间-1小时，方向-垂直* 冲击：加速度-100G,方向-垂直，重复5次图2 测试原理灵敏度特性 温/湿度的影响图3 Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻 图4 Rs 表示在含10ppm 甲苯、各种温/湿度下的电阻 值；Ro 表示传感器在洁净空气中的电阻值。
图 值；Rs 0表示在20℃/65%RH 下的洁净空气中的电阻值。
中所有测试都是在标准试验条件下完成的。
响应恢复 长期稳定性图5 响应恢复特性 图6 长期稳定性时间（s ）R s /R s 0注意事项1 必须避免的情况1.1 暴露于有机硅蒸气中如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气，传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。
传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。
1.2 高腐蚀性的环境传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体（如H 2S ，SO X ，Cl 2，HCl 等）中，不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。
1.3 碱、碱金属盐、卤素的污染传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后，及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。
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热力学温标： 开尔文温标，或称绝对温标。 分子运动停止时的温度为绝对零度；
t=T-273.16
1.概述
温度传感器
沈 阳 工 业 大 学
温 度 传感器
温度 → 敏感元件
→ 电参数
分类
热电式 金 属 热阻式 半导体
6半导体热敏二极管
U f Vg 0 KT B 3KT ln ln T q If q
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当电流密度J保持不变时， PN结正向压降随着温度T的上升而 下降，近似线性关系，对于硅二极管，温度升高1℃，正向电压下降 约2mV。
300K，且硅管Uf=0.65V时，
dU f dT
4 .半导体陶瓷热敏电阻
金属氧化物为原料，采用陶瓷工艺制备的具有半导体特性的热敏电阻。
沈 阳 工 业 大 学
分类
A 负温度系数热敏电阻(NTC)
测温范围宽，主要用于温度测量; B 正温度系数热敏电阻(PTC)
温度范围较窄，一般用于恒温加热控制，或 者温度开关。一些功率PTC元件作为发热元件使 用。
注：热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与 冷热端温度有关，与导体粗细长短及两导体接触面积无关。
2.热电偶
中间导体定律
2.2热电偶基本定律
沈 阳 工 业 大 学
热电偶中接入第三种材料，只要接入材料两端温度相等，热电偶总热电势不变。
中间温度定律
A
T1 B
EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
本征载流子浓度与温度的关系 ni=CT3/2exp(-Eg0/2kT)
qV g 0 KT
I s AqCT 3e
Dp D ( n ) BT 3e Ln N A L p N D
qV g 0 KT
I F BT e
qVg 0 qU f 3 KT KT
KT BT 3 U f Vg 0 ln q If
热电偶 热电阻 半导体陶瓷热敏电阻
热敏二极管
PN结式
热敏三极管
集成温度传感器 接触测温
热传导测温
测量方法
非接触测温 热辐射测温
2.热电偶
2.1 工作原理（热电效应，或称为赛贝克效应）
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两种不同导体构成闭合回路 电动势 两个节点（A、B）温度不同 接触电势（珀尔贴电势） 不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势
铂铑10 铂铑13 铂铑30 镍铬
(90%,10%)
0 ~ 1600 ℃ 0 ~ 1600 ℃ 0 ~ 1800 ℃ -40 ~ 1300 ℃
分度表--热电势与热端温度之间关系列成表格
冷端为0 ℃
2.热电偶
a) 普通热电偶：
2.4 热电偶结构
沈 阳 工 业 大
1-热电极 2-绝缘套管 3-保护套管 4-接线盒 b) 铠装热电偶：
A=3.96847×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-12/℃4
构成： 金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈。
特点： (1) 在氧化介质中性能极为稳定，但在还原介质中容易被腐蚀变 脆，因此要使用保护套管 。
(2) 输入输出特性接近线性。
3.热电阻
沈 阳 工 业 大 学 铜电阻
T2 A B A B T3
2.热电偶
思考题
沈 阳 工 业 大 学
T1
B A F T1 E
T2
C D T1
T1
T2
六种不同的导体组成回路，写出回路中总的热电势。
2.热电偶
材料 使用测温范围 纯铂 纯铂 铂铑6 镍硅
(97.5%,2.5%)
2.3 常用热电偶材料
分度号 S R B K
沈 阳 工 业 大 学
沈 阳 工 业 大 学
热敏元件与温度传感器
本章主要内容
1.概述
沈 阳 工 业 大 学 2.热电偶
3.热电阻 4.半导体陶瓷热敏电阻 5.硅电阻温度传感器 6.半导体热敏二极管 7.集成温度传感器
1.概述
温度最本质的性质
沈 阳 工 业 大 学
当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结 束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计
7 IC温度传感器
工作原理分析 沈 阳 工 业 大 学
集成电路对管温度传感器
利用Ic电流恒定不变时，Vbe与温度近似线性关系来测温。 集电极电流I与Vbe的关系:
KT I c1 Is1exp Vbe1 q KT Ic2 Is2 exp q Vbe2
电路图
7 IC温度传感器
AD590集成温度传感器
电流型温度传感器
沈 阳 工 业 大 学
T
2.热电偶
2.1 工作原理
沈 阳 工 业 大 学
EAB (T，T0 ) eAB (T ) eB (T，T0 ) eBA (T0 ) eA (T0，T )
T T kT kT N A N kT0 N B 0 kT N A ln B dT 0 ln A A dT ln B dT ln A dT q N B T0 q N B T0 q N B T0 q NA T
U f Vg 0 T
3K q
dU f dT
2m V / K
6.半导体热敏二极管
测温电路
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三极管C-B结 短接用作热敏 二极管 REF为双恒流源 集成芯片，提供 两路100µ A的恒 定电流。 W2灵敏 度调节
W1调零 电阻
测温电路
V0=(VBE+100*W1)(1+W2/R1))-100*W2
B 杂质半导体 杂质电离 载流子产生 本征激发
6半导体热敏二极管
利用半导体PN结的正向压降与温度关系实现温-电转换。
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对于理想PN结：在强电离,小注入,Vf大于几个KT/q时，
qU
I f I se
f
KT
Dp Dn I s Aqn ( ) Ln N A Lp N D
2 i
2.热电偶
对于冷端温度T2=0℃时，则： EAB（T1,T0）=EAB （ T1,0）+EAB （ 0,T0） =EAB （ T1,0）-EAB（T0,0）=EAB（T1）-EAB（T0） 在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料 A′,B′即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为
7. IC温度传感器
工作原理分析
改进型集成电路对管温度传感器
沈 阳 工 业 大 学
根据镜像电流源原理 Ic1=Ic2=Ic3=Ic4=I1
晶体管的反向饱和电流与发射结面积成正比
Is3=γIs4
q q Ic3 Is3 exp Vbe3 (1) Ic4 Is4 exp Vbe4 (2) KT KT
E AB (T )
A +
kT N A ln q NB
-
B
T
eAB(T)
2.热电偶
温差电势（汤姆逊电势）
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同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→ 低） →电势
E A (T , T0 ) A dT
T0
T
To A eA(T,To)
σA-汤姆逊系数，表示导体A两端的温
度差为1℃时所产生的温差电动势，例如 在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
(1)
Vbe Vbe1 - Vbe2
V0 Vbe (
KT Ic1 KT R 2 ln ln q Ic2 q R1
(2) (3)
Vbe Ic2 R - ) R4 Vbe(1 4 ) R3 R3
(4)
R 4 KT R2 V0 (1 ) ln R3 q R1
C 临界温度系数热敏电阻(CTR)
温控开关
5 硅电阻温度传感器
利用半导体材料电阻率随温度变化的特性进行温度测量。
沈 A 纯半导体材料 阳 工 业 大 学
电离杂质散射 散射结构 晶格散射
硅电阻率与温度关系示意图
ni随温度增加而增大，室温附近，温度增加8℃，硅的ni就增加一
倍，迁移率只有稍微下降，电阻率降低一半左右；
2. 热电偶
例
用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH （20℃）中，
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测得热电动势EAB(T，TH)=2.05mV，温度T为多少？
查此种热电偶的分度表可知：
EAB(20,0)=0.80mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，20)+EAB(2，T0) =2.05+0.8=2.85(mV) 再查分度表，与2.85mV对应的热端温度T=70℃。
γ
KT ΔVbe lnγ I1 R q
KT I0 2 lnγ qR
7 IC温度传感器
电流型温度传感器
电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国
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内同类产品SG590。器件电源电压4～30V， 测温范围-50～+150℃。
AD590集成温度传感器
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响总热电势。
EAB=EAB(T1)–EA΄ B ΄(T0)
只要T1,T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影
A T1 B
T2
A’ B’
T0 E
热电偶补偿 导线接线图
2.热电偶
如果在T0~T2 范围内，某对廉价导线的热电性能与贵金属热电偶