第1章传感技术概论

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1.3 传感技术与新型敏感材料
定义：半导体材料、陶瓷材料和有机材料等称为新型敏感材料
特性：敏感材料的最基本特性是其敏感性，还具有工作可靠性、 可加工性和经济性。 半导体硅应变片的灵敏系数达100以上，而金属应变片的灵敏 系数约为2，前者约为后者的50倍左右。

在选择敏感材料时，它的敏感特性是首要的， 其次根据工作条件考虑其它特性。
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结论：利用场的定律构成的传感器，其形状、尺寸等参数决定 了传感器的量程、灵敏度等性能，故统称之为“结构型传感器”。 优缺点：它们具有设计的自由度较大、选择材料的限制较小等 优点，但体积一般较大，且不易集成化。
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1.4.3 物质定律
欧姆定律等 特点：通常以这些物质所固有的物理常数加以描述，这些常数 的大小决定着传感器的主要性能。 利用半导体物质法则 压阻、热阻、光阻、湿阻等效应， 可分别做成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件； 利用压电晶体物质法则 压电效应， 可制成压电传感 器等等，统称之为“物性型传感器”。 特点： 这种利用物质定律的物性型传感器，具有构造简单、 体积小、灵敏度高、稳定性好、易于集成化等特点。它是当代传感 技术领域中具有广阔发展前景的传感器。
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1.3.3 有机敏感材料
除了无机材料（指含有碳、氢或硅共价结合的化合物以外的 所有材料）可用作敏感器件以外，与之相辅相成的有机材料也可 用作敏感器件；
优点： ⑴ 有机材料柔性好，可加工成柔性器件； ⑵ 高分子材料易加工成均匀大面积器件； ⑶ 合成分子的自由度大，敏感特性多样化。
应该指出的是，有机材料并非都是高分子材料，也有低分子 结构的（如液晶）。通常的高分子材料几乎均为绝缘体，其电导 率非常低。 另外，利用有机材料的优点，掺入无机功能材料，构成有机 与无机的复合材料用作敏感器件。
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第 1 章 传感技术概论
传感器中包含着两个必不可少的部分： 其一，拾取信息； 其二，把拾取到的信息变换成与被测量有确定函数关系且便于 传输和处理的电学量 电压、电流、 电阻、电感、电容等
利用应变式力传感器 力以及可转换成力的物理量（如 扭矩、位移、速度、加速度等）均可使弹性体产生应变，引起贴 片电阻变化； 利用压阻式传感器 把压力转换成相应的电阻变化；
理想半导体在绝对零度时，其价（电子）带完全被电子占满， 电子不移动，即不能被激发到更高的能级。若温度升高或掺杂使部 分电子吸收足够的能量被激发到导带，并可以自由移动成为载流子。 价带中没有被电子占有的量子能级可看作带正电荷的粒子，称其为 空穴。跃迁电子与空穴形成电子－空穴对。 掺杂和温度是影响载流子浓度及迁移率的主要因素。掺杂是半 导体材料之本，它决定了载流子的浓度。温度升高提供能量，载流
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物理传感器中又可分为
1.物性型传感器
2.结构型传感器
1.物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及 效应把被测量直接转换为电量的传感器。(依靠敏感元件材料本身 物理性质的变化来实现信号变换） 如利用压电晶体本身所具有的正压电效应而制成的压电晶体传 感器可以测量压力。又如利用半导体材料的光电导效应可制成光敏 电阻传感器。又如水银传感器。
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2.磁学式传感器 磁学式传感器利用铁磁物质的一些物理效应而制成。 主要用于： 位移、转矩等参数的测量。
磁电式传感器是利用电磁感应原理把被测非电量转换。
主要用于： 位移及厚度等参数的测量。
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3.光电式传感器 光电式传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的， 它在非电量电测及自动控制技术中有着重要的地位。 主要用于： 测量光强、光通量、位移、浓度、转速、计数等参数。
4.电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制 成的。 主要用于：
温度、磁通、电流、速度、光强及热辐射等参数的测量。
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5.电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的。 主要用于：力及加速度的测量。
6.半导体传感器 半导体传感器利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、 半导体与气体接触产生物质变化等原理制成。 主要用于：温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体种类、 浓度的测量。 7.谐振式传感器 谐振式传感器利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的 原理制成。 主要用于：测量压力。
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※ 三层函义： (1) 传感器是一个测量装置； (2) 在规定的条件下感受外界信息； (3) 按一规律转换成易于传输和处理的电信息。 有时也使用“变换器”一词，它和传感器虽有少许差别， 但往往把二者作为同意语来使用。
※ 传感器一词是使用最广泛的概括性用语。
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1.2 传感器的分类
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第 1 章 传感技术概论
1.1 传感技术有关的定义 1.2 传感器的分类 1.3 传感技术与新型敏感材料 1.3.1 半导体敏感材料 1.3.2 陶瓷敏感材料 1.3.3 有机敏感材料 1.4 传感技术与自然规律 1.4.1 守恒定律 1.4.2 场的定律 1.4.3 物质定律 1.6 传感器的一般性能指标 1.6.1 静态特性 1.6.2 动态特性
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1.4 传感技术与自然规律
传感技术利用了自然规律中的各种定律、法则和基础效应。因 此，深入研究这些定律、法则和效应是理解、掌握和应用传感技 术的理论基础，且有助于传感技术的开发与推广。
1.4.1 守恒定律 守恒定律是自然界中最基本的定律。
能量 动量 电荷量
它包括

守恒定律
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1.4.2 场的定律 场的定律
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定义： 生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别来 测定生物化学物质的传感器。 原理：生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为 功能识别能力，利用这种单一的识别能力来判定某种物质的存在及 其浓度，进而利用电化学的方法进行电信号的转换。 构成及作用： 其一是：功能识别物质（如酶、抗原、抗体、微生物及细胞 等），其作用是对被测物进行特定识别。用特殊方法把这些识别物 固化在特制的有机膜上，从而形成具有特定的从低分子到大分子化 合物进行识别功能的功能膜； 其二是：电光信号转换装置，此装置的作用是把在功能膜上进 行的识别被测物所产生的化学反应，转换成便于传输的电信号或光 信号，其中最常应用的是电极，如氧电极或过氧化氢电极。
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★ 变换装置直接关系着传感器的灵敏度及线性度。 ★ 生物传感器的最大特点是能在分子水平上识别被测物质。 ★ 它主要用于化学工业的监测及医学诊断等方面。
直接转换型传感器 根据传感器对信号的检测转换过程分为
间接转换型传感器 直接转换型传感器 是把输入给传感器的非电量直接转换为电信 号输出。如光敏电阻受光照时，电阻值会发生变化，它直接把光信 号转换为电信号输出； 间接转换型传感器 是把输入给传感器的非电量先转换成另外一 种非电量，然后再转换成电信号输出。例如，采用弹簧敏感元件制 成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧上时，弹簧管 产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。
第15页Biblioteka 电化学式传感器可分为：电位式、极普式和电解式传感器等。 它们的核心部分是离子选择性敏感膜。 其膜分为：1. 固体膜 2.液体膜 3.玻璃膜 4.单晶膜
5.多晶膜（属固体膜）
带正负电荷的载体膜和中性载体膜则是液体膜
用途：
电化学式传感器广泛用于分析气体、液体或溶于液体的固体成 分、液体的酸碱度、电导率、氧化还原电位等参数的测量以及环保 监测中。
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子浓度和迁移率都依赖于温度变化。另外，半导体的物理性能还受 到外场（如电场、磁场、温度场、机械外力、可见光和放射线照射 等）的影响。 以硅片为代表的半导体材料是最为广泛应用的传感器敏感材料。 这与半导体敏感器件理论的完善、集成电路技术的发展和半导体敏 感器件制造的微细加工技术的应用密不可分。 1.3.2 陶瓷敏感材料 作为新型传感器材料的陶瓷，与一般传统陶瓷不同，它是把高 纯度原料微粒掺合在一起，经严格的工艺烧结成型，成为对外界条 件（如磁性、温度、压力和光强度变化等）特别敏感的材料，称之 为电子陶瓷，它包括压电（体）陶瓷、热释电体陶瓷、半导体陶瓷 和磁性陶瓷等。它具有经济、耐腐蚀、高硬度、易成型以及高温性 能稳定等优点。
2.结构型传感器是以材料的结构（如形状、尺寸等）为基础， 利用某些物理规律实现把被测信息转换为电量。(依靠传感器结构 参数的变化实现信号转变) 如电容式传感器和电感式传感器。
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电化学式传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物 质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。
最常用的是离子选择性电极，利用这种电极来测量溶液中的pH 值或某些离子的活度，如K、Na、Ga等。 电极的测量对象虽然不同，但其测量原理却大同小异，主要是 利用电极界面（固相）和被测溶液（液相）间的电化学反应，也就 是利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生电位差，它与被测离 子活度的对数成线性关系，故检出其反应过程中的电位差或由其影 响的电流值，即表示被测离子的活度。
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电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸、极板相对位置 或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成 的。 主要用于: 压力、位移、液位、厚 度、成分含量等参数的测量。
电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线， 在金属内形成涡流的原理制成的。 主要用于: 位移及厚度等参数的测量。
传感器一般都是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和 效应设计而成的。 一种被测量可以用不同的传感器来测量；
而同一原理的传感器，通常又可测量多种非电量。
按被测物理量来分
分类方法
物理型
按传感器工作原理分 电化学型 生物型
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物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材 料的特殊物理性能制成的传感器。 大致有以下几种： 1.电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的传感器。 常用的有：