4 第四章 信息传感材料与器件

把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起 制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变 化转换成机械量变化。
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优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆
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3.2 热电势式温度计(热电偶)
热电效应
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合 回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产 生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。
热膨胀式 热电势式 热电阻式 PN结型 集成电路型 热释电式
优点： 技术成熟 传感器种类多 测量系统简单 精度较高
非接触式测温
通过接收被测物体发 出的辐射来得知物体 2020/4/15的温度
光学高温传感器 优点： 不受测温元件耐热
程度限制 热辐射式温度传感器 测温速度快
可测运动物体1温7 度
3.1 双金属温度计 （热膨胀式）
120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅
长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大
小是20应20/4变/15 片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量9。
对敏感栅的材料的要求：
①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。
• 2.95－(－4.0)=6.95(mV)
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3.3 热电阻式温度传感器
热电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度 变化而变化的原理进行测温的。
热电阻（金属测温电阻）、半导体热敏电阻。
热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少 数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻 温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。
机械力作用——晶格间距变化——禁带宽度变化——载 流子相对能量改变——电阻率变化 优点：
①灵敏度与精度高； ②易于小型化和集成化； ③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变； ④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。 用来202制0/4/成15 各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器 13
BaTiO3基热敏材料：用于家用电器的温度传感器、限流器等。 V2O3基热敏材料：常温电阻率极小，用于大电流领域的过流保护，
金属-绝缘体相变。
• NTC材料
低温：AB2O4尖晶石型氧化物半导体陶瓷 常温： AB2O4尖晶石型的含锰氧化物 高温：AO2萤石型、AB2O4尖晶石型、ABO3钙钛矿型和刚玉型。
可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到 被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。
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热电偶测温基本定律
T
T0
1)均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导
体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产
生热电动势。
T
T0
V
2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只
热电势、热电偶、热电极
热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）
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接触电动势
含义：由于两种不同导体的自由电子 密度不同而在接触处形成的电动势。
EAB(T )
＋－
A ＋－ B
＋－
nA nB
接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接
触点的温度。
两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为
电阻-应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产生变形 （伸长或缩短）时发生变化的物理现象。当金属电阻丝 受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻 增加。反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小。
电阻应变式传感器就是利用金属电阻应变片的电阻应变
效应实现应力（应变）的传感的，金属应变片电阻值变 化正比于应力大小。 常用的金属应变片由金属丝式、箔式、薄膜式等。
A
A
C
T
T0 = T
T0 — T
T0
B
C
B
由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。
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例子
• 热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金 与纯铂组成的热电偶的热电动势为 2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的 热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成 的热电偶所产生的热电动势应为：
铜镍合金（康铜）：灵敏系数稳定性、耐辐射性能好，低温性能较差。
镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度较宽。
铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好 镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高 铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好
金属应变片的电阻 变化率和引起此电 阻变化的构件表面
前三种最常用。这些合金的灵敏系数为2～6
力敏传感材料
热敏传感材料
光敏传感材料
磁敏传感材料
气敏传感材料
湿敏传感材料
光纤传感材料
生物传感材料
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2. 力敏传感材料
力敏传感材料指在外力作用下，电学性质会发生明显变 化的材料，分为应变电阻材料、压阻材料和压电材料。 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。
2.1 电阻应变材料
（4） 粘结剂
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴 在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基 底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力 后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。
常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂
用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树
脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，
T0 ) ln
nA nB
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讨论
•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关
•两热电极相同时，总电动势为0
•两接点温度相同时，总电动势为0
•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c 为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，
即
EAB (t,t0 ) f (t) f (t0 ) f (t) C (t)
在应变计轴线方向 的应变ε之比，称为
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电阻应变计的灵敏
系数K。
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2.2 半导体压阻材料
压阻效应 指当半导体受到机械力作用时，由于载流子迁移 率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在 1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。
压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化
常用202的0/4/有15 磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
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金属电阻应变片材料
栅长度一般为 0.2～100毫米，直径 0.015～0.05毫米的 金属丝 ，厚度 0.002～0.005毫米的金属箔。 电阻为60～1000欧（最常用的为120欧），测量范围为 几微应变至数万微应变（με，1微应变=10-6毫米／毫 米）
• CTR（临界温度热敏电阻）也具有负温度系数，但在某
个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别 陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。
• 线性热敏电阻
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电阻RT/Ω
CTR
PTC
NTC
0
温度T/0C
三类热敏电阻的温度特性曲线
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半导体热敏电阻材料
• PTC材料
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eAB (T )
KT q0
1n
NA NB
eAB (T0 )
KT0 q0
1n
NA NB
k——玻耳兹曼常数， q0——电子电荷量， T——接触处的温度 NA，NB——分别为导体A和 B的自由电子密度。 20
温差电动势
同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动 势。
机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大， 从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端 的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因 获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电 动势。
大小表示： eA (T ,T0 ) eB (T ,T0 )
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热电偶回路中产生的总热电势
eAB(T, T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0)
忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：
eAB (T ,T0 )
eAB (T
)
eAB
(T0 )
k q0
(T
（2） 基底和盖片
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖 片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏 感栅202。0/4/1基5 底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。10
（3） 引线
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材 料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性 能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
第四章 信息传感材料与器件
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1. 传感器与传感材料
定义：传感器是能够感受规定的被测量并按一 定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
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信息传感材料指用于信息传感器和探测器的一类对外界 信息敏感的材料，在外界信息如力学、热学、磁学、电 学、化学和生物信息的影响下，这类材料的物理性质或 化学性质会发生相应的变化。
/(×10-3/℃)
Pt
Ni
Cu
-200~600 -100～300 -50～150
0.03~0.07 0.0981~0.106
3.92～3.98
0.05 0.118～0.138 6.21～6.34
0.1 0.017 4.25～4.28
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半导体热敏电阻
半导体热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变 化这一特性制成的一种热敏元件。
R (1 1 )
R R0e T T0
T
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热敏电阻的电阻－温度特性
• 大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻－温 度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。 NTC（负电阻温度系数）热敏电阻具有很高的负电阻温 度系数，特别适用于：－100～＋300℃之间测温。
• PTC（正电阻温度系数）热敏电阻的阻值随温度升高而 增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时， 其电阻值朝正的方向快速变化。
顺压电效应：机械能 逆压电效应：电 能
电能 机械能
压电材料
压电晶体：石英晶体、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵、硫酸锂
性能稳定、不需极化处理、无热释电效应
压电陶瓷：人工极化处理的钛酸钡、锆钛酸钡
压电常数大、灵敏度高、工艺成熟、价格低廉
压电半导体：ZnS、ZnO、CdS、CdTe等
2压020/电4/15高分子材料：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯
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应变片的结构与材料
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组 成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。 因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
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b
2
l
栅宽
栅长
1
电阻应变片结构示意图
（1） 敏感栅
由 金 属 细 丝 绕 成 栅 形 。 电 阻 应 变 片 的 电 阻 值 为 60Ω 、
半导体压阻材料
主要采用单晶硅材料。为了调节力敏元件的压阻系数， 电阻值和温度特性，还要掺杂硼、磷等杂质。
半导体PN结受压力后也会呈现压阻效应，从而改变结 间电路。
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PN结压阻效应及其应用电路
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2.3 压电材料
压电效应 某些电介质，在一定方向上受到外力作用而变形 时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。 当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。具有压电 效应的电介物质称为压电材料
对用于制造热电阻材料的要求：
• 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率
• R-t关系最好成线性
• 物理化学性能稳定
• 复现性好等。
2020/4/1目5 前最常用的热电阻金属是铂、铜和镍。
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主要金属测温电阻器的性能
项目
使用温度/℃ 电阻丝直径/mm 电阻率/(Ω·mm2/m） 0～100 ℃电阻温度系数
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将一个结构单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子的 排列在垂直于晶体Z轴的平面内投影，可得到等效于 下图的正六边形排列。
图中⊕代表Si4+, 代表2O2-
ห้องสมุดไป่ตู้
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石英晶体压电效应示意图
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3. 热敏传感材料
热敏传感材料：对温度变化具有灵敏响应的材料。
接触式测温
通过测温元件与被测 物体的接触而感知物 体的温度
要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响 热电偶回路的总热电动势。
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3)参考电极定律
两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如 果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后 的热电动势可用下式求得：
EAB (T ,T0 ) EAC (T ,T0 ) EBC (T ,T0 )