1、第九章第九章 传感器传感器9.1 9.1 传感器的介绍传感器的介绍传感器：传感器：“sensor”或者或者“transducer”，广义上讲传，广义上讲传感器是能够感受规定的被测量，并按一定规律转换成可感器是能够感受规定的被测量，并按一定规律转换成可输出信号的器件或装置的总称。通常被测量是非电物理输出信号的器件或装置的总称。通常被测量是非电物理量，输出信号一般为电量。量，输出信号一般为电量。传感器通常是由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件传感器通常是由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应的被测量（输入量）的是指传感器中能直接感受或响应的被测量（输入量）的部分；转换
2、元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适于传播和测量的电信号的部分。应的被测量转换成适于传播和测量的电信号的部分。传感器的基本组成传感器的基本组成l按输入量分：按输入量分：输入量即被测对象。输入量即被测对象。物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。其中，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感其中，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等。这种分类方法给使用者提供了方器、位移传感器等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被例对象来选择所需要的传感器。便，容易
3、根据被例对象来选择所需要的传感器。l按输出量分：按输出量分：传感器按输出量不同可分为传感器按输出量不同可分为模拟式传感器模拟式传感器和和数字式传数字式传感器感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量。数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。拟量。数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。传感器的分类：传感器的分类：l按基本效应分：按基本效应分：根据传感技术所蕴涵的基本效应，可以将传感器分为根据传感技术所蕴涵的基本效应，可以将传感器分为物理型、化学型、生物型物理型、化学型、生物型。物理型物理型是指依靠传感器的敏感元件材料本身的物理特是指依靠传感
4、器的敏感元件材料本身的物理特性变化来实现信号的变换，如水银温度计。性变化来实现信号的变换，如水银温度计。化学型化学型是指依靠传感器的敏感元件材料本身的电化学是指依靠传感器的敏感元件材料本身的电化学反应来实现信号的变换，如气敏传感器、湿度传感器。反应来实现信号的变换，如气敏传感器、湿度传感器。生物型生物型是利用生物活性物质选择性的识别来实现测量，是利用生物活性物质选择性的识别来实现测量，即依靠传感器的敏感元件材料本身的生物效应来实现信即依靠传感器的敏感元件材料本身的生物效应来实现信号的变换。待测物质经扩散作用进入固定化生物敏感膜号的变换。待测物质经扩散作用进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生
5、生物学反应，产生的信息被相应层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息被相应的化学或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号。的化学或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号。如本部传感器、免疫传感器如本部传感器、免疫传感器。传感器的分类：传感器的分类：传感器的输入和输出关系特性是传感器的基本特性，传感器的输入和输出关系特性是传感器的基本特性，也是传感器的内部参数作用关系的外部特性表现，不同也是传感器的内部参数作用关系的外部特性表现，不同的传感器内部结构参数决定了它具有不同的外部特性。的传感器内部结构参数决定了它具有不同的外部特性。l 传感器所测量的物理量基本上有两种形式：传感器所测量的物理量基本
6、上有两种形式：静态静态(稳稳态或准静态态或准静态)和动态和动态(周期变化或瞬态周期变化或瞬态)。l 不同的传感器具有不同的内部参数，因此它们的静态不同的传感器具有不同的内部参数，因此它们的静态特性和动态特性就表现出不同的特点，对测量结果也产特性和动态特性就表现出不同的特点，对测量结果也产生不同的影响。一个高精度的传感器，必须要有良好的生不同的影响。一个高精度的传感器，必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保检测信号静态特性和动态特性，从而确保检测信号(或能量或能量)的无的无失真转换使检测结果尽量反映被测量的原始特征。失真转换使检测结果尽量反映被测量的原始特征。传感器的基本特性：传感器的基本特
7、性：9.2 9.2 气敏传感器气敏传感器 气敏传感器：能够感知环境中某种气体及其浓度气敏传感器：能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感元件，它将气体的种类及浓度的有关信号的一种敏感元件，它将气体的种类及浓度的有关信号转换成电信号，根据这些电信号的强弱获得与检测气转换成电信号，根据这些电信号的强弱获得与检测气体在环境中存在情况的有关信息，从而可以进行检测、体在环境中存在情况的有关信息，从而可以进行检测、监控、报警。监控、报警。其主要应用领域见书中表其主要应用领域见书中表9-5常见气敏传感器的类型及特征常见气敏传感器的类型及特征续表续表9.2.1 9.2.1 半导体气敏传感器半导体气敏传感器9.
8、2.1.1 SnO2系列气敏传感器：系列气敏传感器：氧化锡是典型的氧化锡是典型的n-型半导体，是气敏传感器的最型半导体，是气敏传感器的最佳材料。其检测对象为甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、佳材料。其检测对象为甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等可燃气体和呼出气体中的酒精、酒精、硫化氢等可燃气体和呼出气体中的酒精、NOx等。气敏检测灵敏度随气体的种类、工作温度、催化等。气敏检测灵敏度随气体的种类、工作温度、催化剂等的不同而差异很大。剂等的不同而差异很大。可分为烧结型、薄膜型、厚膜等多种形式。可分为烧结型、薄膜型、厚膜等多种形式。（1）烧结性）烧结性SnO2气敏传感器气敏传感器 1.结构结构 它
9、是有芯片、基座和金属防它是有芯片、基座和金属防爆网罩三部分组成。爆网罩三部分组成。根据加热的方式不同，可分根据加热的方式不同，可分为直热式和旁热式。为直热式和旁热式。9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器系列气敏传感器直热式直热式SnO2气敏元件气敏元件：其管芯结构的特点是在以其管芯结构的特点是在以SnO2为主要成分的烧为主要成分的烧结体中，埋两根螺旋形铂结体中，埋两根螺旋形铂-铱电极，它兼作加热铱电极，它兼作加热器功能，电阻值为器功能，电阻值为2-5。这种气敏元件结构简。这种气敏元件结构简单，但因消耗功率大、稳定性差而应用较少单，但因消耗功率大、稳定性差而应用较少旁热式旁热式SnO2气敏元件
10、气敏元件：其管芯的结构特点是在一根内径为其管芯的结构特点是在一根内径为0.8um、外径为、外径为1.2um的陶瓷管的两端设置一对金电极及的陶瓷管的两端设置一对金电极及铂铂-铱合金丝引铱合金丝引出线，然后在陶瓷管的外壁涂出线，然后在陶瓷管的外壁涂覆覆以以SnO2为基础材料的涂为基础材料的涂层，经层，经烧烧后形成气体敏感层。并在陶瓷管内放后形成气体敏感层。并在陶瓷管内放一一电阻丝电阻丝作为加热器，电阻值一般为作为加热器，电阻值一般为30一一40。这种元件热容量。这种元件热容量大，可靠性和寿命都大，可靠性和寿命都较较直热式高，大部分直热式高，大部分SnO2气敏元件气敏元件采用了这种结构。采用了这种结
11、构。（1）烧结性）烧结性SnO2气敏传感器气敏传感器 2.原理原理 氧化锡氧化锡(SnO2)传感器的气敏材料氧化锡一加热，空传感器的气敏材料氧化锡一加热，空气中的氧就会从氧化锡半导体结晶粒子的施主能级中夺气中的氧就会从氧化锡半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附着负电子，使表面电位增走电子，而在结晶表面上吸附着负电子，使表面电位增高，从而阻碍了导电电子的移动，所以，气敏传感器在高，从而阻碍了导电电子的移动，所以，气敏传感器在空气中为恒定的电阻值。这时还原性气体与半导体表面空气中为恒定的电阻值。这时还原性气体与半导体表面吸附着的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使吸附着的氧发
12、生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值要发其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值要发生变化。对于还原性气体，电阻值减小；对于氧化性气生变化。对于还原性气体，电阻值减小；对于氧化性气体，则电阻增大。这样，根据电阻值的变化就能检测出体，则电阻增大。这样，根据电阻值的变化就能检测出气体的浓度。气体的浓度。（1）烧结性）烧结性SnO2气敏传气敏传感器感器 3.特性特性 烧结型烧结型SnO2气敏传感器是目前工艺上最气敏传感器是目前工艺上最成熟的气敏传感器，具有很高的热稳定性。这成熟的气敏传感器，具有很高的热稳定性。这种传感器在半导体表面层产生可逆氧化还原反
13、种传感器在半导体表面层产生可逆氧化还原反应，半导体内部的化学结构不变，因此，长期应，半导体内部的化学结构不变，因此，长期使用也可获得较高稳定性。其敏感体是用粒径使用也可获得较高稳定性。其敏感体是用粒径很小的粉体为基本材料，与不同的添加剂混合很小的粉体为基本材料，与不同的添加剂混合均匀，采用典型的陶瓷工艺制备，工艺简单，均匀，采用典型的陶瓷工艺制备，工艺简单，成本低廉。主要用于检测可燃的还原性气体，成本低廉。主要用于检测可燃的还原性气体，如氢、如氢、CO、甲烷、丙烷、乙醇等，都有较高、甲烷、丙烷、乙醇等，都有较高的灵敏度。敏感元件的工作温度较低，约的灵敏度。敏感元件的工作温度较低，约300。（2
14、）薄膜）薄膜SnO2气敏传感器气敏传感器 1.结构结构 薄膜型薄膜型SnO2气敏元件是在绝缘基板上，蒸发或溅气敏元件是在绝缘基板上，蒸发或溅射一层射一层SnO2薄膜，再引出两个电极而薄膜，再引出两个电极而成成.9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器系列气敏传感器（2）薄膜）薄膜SnO2气敏传感器气敏传感器 2.2.特性特性 薄膜型薄膜型SnOSnO2 2气敏元件工气敏元件工作温度较低，在作温度较低，在250250左右，左右，表面积较大，气敏特性很好，表面积较大，气敏特性很好，特别是对一氧化碳和酒精灵特别是对一氧化碳和酒精灵敏度很高敏度很高，但各气敏元件之但各气敏元件之间性能差异较大间性能差异较
15、大。（3）厚膜）厚膜SnO2气敏传感器气敏传感器 1.结构结构 厚膜型厚膜型SnOSnO2 2气敏元件是把气敏元件是把SnOSnO2 2气敏材料与一定比例气敏材料与一定比例的硅凝胶混制成厚膜胶，利用丝网印刷技术和厚膜混的硅凝胶混制成厚膜胶，利用丝网印刷技术和厚膜混合集成电路工艺把气敏元件与阻容元件制作在同一基合集成电路工艺把气敏元件与阻容元件制作在同一基片上，构成具有片上，构成具有一定功能的基片。一定功能的基片。9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器系列气敏传感器ReO2Fe2O3氧化硅氧化硅SnO2金电极金电极金线金线（3）厚膜）厚膜SnO2气敏传感器气敏传感器 2.特性特性 厚膜型厚膜型S
16、nOSnO2 2气敏元件气敏元件采用厚膜制作工艺，器件的性采用厚膜制作工艺，器件的性能一致性较好，机械强度高，适合批量生产。能一致性较好，机械强度高，适合批量生产。除氧化锡类气敏传感器外，还有氧化锌类传感器、除氧化锡类气敏传感器外，还有氧化锌类传感器、-三氧化二铁类传感器等。三氧化二铁类传感器等。氧化锌类传感器氧化锌类传感器对一般还原性气体的检测灵敏度对一般还原性气体的检测灵敏度低，工作温度高，约在低，工作温度高，约在400-500400-5000 0C C。为了提高。为了提高ZnOZnO的气的气敏性，常常掺入一些贵金属做催化剂，如掺入敏性，常常掺入一些贵金属做催化剂，如掺入PtPt可提可提高
17、对乙烷、丙烷、异丁烷等碳氢化合物的灵敏度。高对乙烷、丙烷、异丁烷等碳氢化合物的灵敏度。-三氧化二铁三氧化二铁类传感器是一种体电阻控制型气敏类传感器是一种体电阻控制型气敏传感器，其外形结构与表面控制性传感器，其外形结构与表面控制性SnOSnO2 2完全相同，其完全相同，其特点就是不必加入催化剂，对某些气体也有较高灵敏特点就是不必加入催化剂，对某些气体也有较高灵敏度，特别是对甲烷有很高的选择性，使用与矿井瓦斯度，特别是对甲烷有很高的选择性，使用与矿井瓦斯报警。报警。其他半导体类气敏传感器其他半导体类气敏传感器9.2.2 9.2.2 电化学气体传感器电化学气体传感器 ZrOZrO2 2氧传感器氧传感
18、器二氧化锆基本性质：二氧化锆基本性质：高纯二氧化锆为白色粉末，含有杂质是略带黄色或灰高纯二氧化锆为白色粉末，含有杂质是略带黄色或灰色。色。ZrO2存在存在3种晶体结构，及种晶体结构，及单斜（单斜（m）、四方（）、四方（t）和和立方（立方（c）。加热时发生相变：。加热时发生相变：1170 ZrO2(m)ZrO2(t)2370 ZrO2(t)ZrO2(c)(c)冷却时发生逆相变：冷却时发生逆相变：ZrO2(t)ZrO2(m)常常在纯常常在纯ZrO2中添加某些金属氧化物，如中添加某些金属氧化物，如CaOCaO等碱土等碱土金属氧化物或金属氧化物或Y Y2 2O O3 3等稀土氧化物，以抑制等稀土氧化物
19、，以抑制t-mt-m的相变，是的相变，是立方相或四方相在室温条件下保留下来。这种处理称为立方相或四方相在室温条件下保留下来。这种处理称为ZrOZrO2 2的稳定化处理。的稳定化处理。掺杂掺杂Y2O3后后ZrO2的晶格特征：的晶格特征：ZrO2晶格中，晶格中，2个个Zr4+周围最近邻有周围最近邻有4个个O2-，而加入，而加入Y2O3后，后，Y3+置换了晶格上的置换了晶格上的Zr4+，为了保持电中性，为了保持电中性，2个个Y3+周围只能有周围只能有3个个O2-，而置换前应有，而置换前应有4个个O2-，这样出，这样出现了一个氧离子空位。高温下，当现了一个氧离子空位。高温下，当ZrO2两侧存在氧浓度两
20、侧存在氧浓度差或电压时，这些氧离子空位可接受氧离子，使氧离子差或电压时，这些氧离子空位可接受氧离子，使氧离子从一侧相另一侧定向移动。从一侧相另一侧定向移动。ZrOZrO2 2氧传感器的结构及机理氧传感器的结构及机理被测气体被测气体中的中的O O2 2多空铂电极多空铂电极正在迁移的正在迁移的O O2-2-离子离子氧含量恒定氧含量恒定ZrOZrO2 2-CaO-CaOZrOZrO2 2氧传感器的结构及机理氧传感器的结构及机理 根据能斯特方程测定被测气体中的氧含量：根据能斯特方程测定被测气体中的氧含量：P rln4R TEP sF 由由NernstNernst方程的对数关系，在方程的对数关系，在Ps
21、Ps远小于远小于PrPr时灵敏度较高，适用于低浓度氧的测定。时灵敏度较高，适用于低浓度氧的测定。把固体电解质作为隔膜制成电化学电池，这种电池把固体电解质作为隔膜制成电化学电池，这种电池就能为气体选择性高的传感器，目前已经用汽车发动机就能为气体选择性高的传感器，目前已经用汽车发动机于空燃比控制的于空燃比控制的ZrO2-Y2O3氧传感器。氧传感器。见书中图见书中图9-8.二氧化锆氧传感器具有尺寸小，价格低，性能可靠等二氧化锆氧传感器具有尺寸小，价格低，性能可靠等优点，在节约能源、环境保护等方面得到广泛的应用。优点，在节约能源、环境保护等方面得到广泛的应用。现主要应用于热处理炉的气氛控制、锅炉的染料
22、控制及现主要应用于热处理炉的气氛控制、锅炉的染料控制及汽车发动机的空气、染料比控制和废气排放控制等。汽车发动机的空气、染料比控制和废气排放控制等。目前已经开始研制并开发纳米氧传感器。纳米氧传目前已经开始研制并开发纳米氧传感器。纳米氧传感器具有常规氧传感器不可替代的优点：感器具有常规氧传感器不可替代的优点：纳米固体电解质有庞大的界面，可以提供大量的纳米固体电解质有庞大的界面，可以提供大量的气体通道，能显著提高灵敏度；气体通道，能显著提高灵敏度；纳米固体电解质具有很大的比表面积，可大大降纳米固体电解质具有很大的比表面积，可大大降低烧结温度，提高固体电解质的致密度，相应地提高离低烧结温度，提高固体电
23、解质的致密度，相应地提高离子导电性，这样可提高测量的灵敏度，并使工作温度降子导电性，这样可提高测量的灵敏度，并使工作温度降至至4004000 0C C 可有效减少传感器尺寸。可有效减少传感器尺寸。研究前沿研究前沿9.2.3 9.2.3 新型碳纳米气敏传感器的新型碳纳米气敏传感器的研究进展研究进展碳纳米管气敏传感器：碳纳米管气敏传感器：具有中空结构和大的壁表面积，对气体有很强的吸附具有中空结构和大的壁表面积，对气体有很强的吸附能力。由于吸附气体分子与碳纳米管之间的相互作用，能力。由于吸附气体分子与碳纳米管之间的相互作用，从而引起它的费米能级的变化，这样电阻发生很大的改从而引起它的费米能级的变化，
24、这样电阻发生很大的改变，通过电阻变化的测定既可检测气体的成分。变，通过电阻变化的测定既可检测气体的成分。9.2.4 9.2.4 气敏传感器的发展方向气敏传感器的发展方向添加剂的使用添加剂的使用新材料、新工艺和新技术的应用新材料、新工艺和新技术的应用9.3 9.3 温度传感器温度传感器9.3.1 9.3.1 热电偶热电偶工作原理工作原理T T0 0热电动势：EABA A金属金属B B金属金属T TTTTT0 0(a)(a)1.热电效应热电效应：当两种：当两种不同的导体或半导体不同的导体或半导体A和和B组成一个回路，组成一个回路，若两结点的温度不同，若两结点的温度不同，该电路中就会产生电该电路中就
25、会产生电动势，这种效应称之动势，这种效应称之为热电效应。为热电效应。T T0 0热电动势：EABA A金属金属B B金属金属T TTTTT0 0(b)(b)V V+-a.接触电势接触电势：当两种：当两种导电材料导电材料A和和B接触接触时，由于材料的电子时，由于材料的电子密度不同，在接触面密度不同，在接触面上就会发生电子的扩上就会发生电子的扩散，在接触面上就会散，在接触面上就会形成一个稳定的电势，形成一个稳定的电势，称为接触电势称为接触电势EAB。a.接触电势接触电势b.单一导体的温差电单一导体的温差电势势：单一导体中，如单一导体中，如果两端温度分别为果两端温度分别为t t、和和t t0 0(t
26、t(tt0 0)，导体内，导体内自由电子在高温端具自由电子在高温端具有较大的动能，因而有较大的动能，因而向低温端扩散。结果向低温端扩散。结果在导体两端产生电势在导体两端产生电势差差E E导导(t(t、t t0 0）。）。b.单一导体的温差电势单一导体的温差电势热电偶体系中总的电势差：热电偶体系中总的电势差：0000,ABAABBBAEt tE t tEtE t tEt 在总电动势中，温差电动势比接触电动势小很在总电动势中，温差电动势比接触电动势小很多，可忽略不计，则热电偶的总热电势可表示为：多，可忽略不计，则热电偶的总热电势可表示为：00,ABABBAEt tEtEtf t 根据热电偶的测温原
27、理，任何两种导体都可以组成根据热电偶的测温原理，任何两种导体都可以组成热电偶，用来测量温度。但是为了保证在工程技术中热电偶，用来测量温度。但是为了保证在工程技术中应用可靠，并具有足够的应用可靠，并具有足够的精确度，因此不是所有材料精确度，因此不是所有材料都能作为热电偶材料。常用热电偶可分为标准热电偶都能作为热电偶材料。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表一的标准分度表的热电偶，
28、它有与其配套的显示仪表可供选用；非标准化热电偶在使用范围或数量级上均可供选用；非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶标准化热电偶标准化热电标准化热电偶偶续表续表 在钢铁冶金工业中，微型热电偶主要用于快速测定在钢铁冶金工业中，微型热电偶主要用于快速测定钢、铁金属熔液的温度和快速测定碳等。世界各国微钢、铁金属熔液的温度和快速测定碳等。世界各国微偶用的电极丝，主要是偶用的电极丝，主要是0.1mm左右的左右的PtRh10-Pt（S型）、型）、PtRh30
29、-PtRh6（B型）和型）和PtRh13-Pt（R型）型）3种种铂铑测温材料。铂铑测温材料。9.3.2 9.3.2 热电阻热电阻热电阻热电阻：热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随热电阻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。热电阻传感器温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量电阻。热电阻广泛用来测量-200-200o oC C一一+850+850o oC C范围内
30、范围内的温度，少数情况下，低温可测量至的温度，少数情况下，低温可测量至1K1K，高温达，高温达10001000o oC C。常用制备热电阻的材料常用制备热电阻的材料 在实际应用中，金属材料做成热电阻，要求在实际应用中，金属材料做成热电阻，要求:测温的金属材料熔点要比较高，延展性要比较测温的金属材料熔点要比较高，延展性要比较好，便于加工，具有良好的稳定性，在大气中不被好，便于加工，具有良好的稳定性，在大气中不被氧化，具有尽可能大的和稳定的电阻温度系数和电氧化，具有尽可能大的和稳定的电阻温度系数和电阻率，最好成线性关系曲线等。阻率，最好成线性关系曲线等。常用的热电阻金属材料主要是铂、镍、铜以及常用
31、的热电阻金属材料主要是铂、镍、铜以及它们的某些合金。它们的某些合金。电阻变化率与温度的关系曲线电阻变化率与温度的关系曲线常用制备热电阻的材料常用制备热电阻的材料 a.铂热电阻铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂标准，铂热阻的使用温度范围为热阻的使用温度范围为-200oC+850oC。铂热电阻的特性方程：铂热电阻的特性方程：-200-0oC范围：范围：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0-850oC范围：范围：Rt=R01+At+Bt
32、2 Rt-t不成线性关系。目前我国规定工业用铂热电阻有不成线性关系。目前我国规定工业用铂热电阻有R010和和R0l00两种，它们的分度号分别为两种，它们的分度号分别为Ptl0和和Ptl00，其中以，其中以Ptl00为常用。为常用。常用制备热电阻的材料常用制备热电阻的材料 b.铜热电阻铜热电阻 在一些测量精度要求不高以及温度比较低的场合，在一些测量精度要求不高以及温度比较低的场合，可以采用铜热电阻代替铂贵金属热电阻，测量温度范围可以采用铜热电阻代替铂贵金属热电阻，测量温度范围为为-50+150-50+150o oC C。铜热电阻在测量温度范围内电阻和温。铜热电阻在测量温度范围内电阻和温度几乎成线
33、性关系。度几乎成线性关系。RtRt=R01+at=R01+at a a为铜热电阻的温度系数，一般取为铜热电阻的温度系数，一般取4.28X104.28X10-3-3/o oC C热电阻的结构热电阻的结构 热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。护套管、引线和接线盒等部分组成。9.3.3 9.3.3 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻：热敏电阻是电阻随温度变化而显著变化的半导体电热敏电阻是电阻随温度变化而显著变化的半导体电阻，通常可分：阻，通常可分：正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTC)(PTC)，随着温度的升高，随着温度的升高，半
34、导体材料中的载流子迁移率降低，电阻率增大；半导体材料中的载流子迁移率降低，电阻率增大；负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)(NTC)，随着温度的升高，随着温度的升高，半导体材料中载流子浓度增大，电阻率降低。半导体材料中载流子浓度增大，电阻率降低。临界温度电阻或叫骤变温度电阻临界温度电阻或叫骤变温度电阻(CTR).(CTR).各种热敏电阻的电阻各种热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线 可以测量变化范围不大的温度，如海水温度、人可以测量变化范围不大的温度，如海水温度、人体温度等。此外，用热敏电阻还能控制温度，特别是体温度等。此外，用热敏电阻还能控制温度，特别是PTCPTC和和CTRC
35、TR热敏电阻当其工作在居里点附近可以直接侧热敏电阻当其工作在居里点附近可以直接侧温、控温，如火灾报警、过热保护等。温、控温，如火灾报警、过热保护等。热敏电阻的实际应用热敏电阻的实际应用用用NTCNTC热敏电阻测量流体流速和流量。主要利热敏电阻测量流体流速和流量。主要利用温度检测法和耗散因数测定法，不过后一种方用温度检测法和耗散因数测定法，不过后一种方法工作点应在特定的负阻区。法工作点应在特定的负阻区。用用NTCNTC和和PTCPTC热敏电阻测量液位。利用元件在空热敏电阻测量液位。利用元件在空气中和液体中的耗散系数不同的原理进行测量。气中和液体中的耗散系数不同的原理进行测量。家用电器中家用电器中
36、PTCPTC热敏电阻可用于控制温度。电流通热敏电阻可用于控制温度。电流通过元件后引起元件温度升高，当超过居里点温度后，过元件后引起元件温度升高，当超过居里点温度后，由由R-TR-T特性曲线可知，电阻增大，则电流下降，相应特性曲线可知，电阻增大，则电流下降，相应元件温度亦降低，电阻值增加，电流降低，如此重复，元件温度亦降低，电阻值增加，电流降低，如此重复，这样元件本身就起到了自动调节温度作用。这样元件本身就起到了自动调节温度作用。利用利用PTCPTC热敏电阻可做成恒流电路和恒压电路。通热敏电阻可做成恒流电路和恒压电路。通常电阻两端电压增加，其电流亦同时增加，而常电阻两端电压增加，其电流亦同时增加
37、，而PTCPTC热热敏电阻具有正阻特性，因此将一般电阻与敏电阻具有正阻特性，因此将一般电阻与PTCPTC电阻并电阻并联，可在某一电压范围内使电流不随电压变化而构成联，可在某一电压范围内使电流不随电压变化而构成恒流电路。若恒流电路。若PTCPTC电阻与一般电阻串联，则可构成恒电阻与一般电阻串联，则可构成恒压电路。压电路。NTCNTC、PTCPTC、CTRCTR这几种热敏电阻虽然都是电阻率这几种热敏电阻虽然都是电阻率随温度变化而发生变化，但变化的方向不同，变化的随温度变化而发生变化，但变化的方向不同，变化的机制也不完全相同。机制也不完全相同。（1 1）NTCNTC热敏电阻热敏电阻 NTCNTC热敏
38、电阻热敏电阻具有较宽的变化具有较宽的变化范围。在很大的范围。在很大的温度区域内其电温度区域内其电阻值的对数随温阻值的对数随温度的倒数成正比度的倒数成正比关系变化。关系变化。NTCNTC热敏电阻的材料：热敏电阻的材料：主要是主要是FeFe、NiNi、CoCo、MnMn等过渡金属氧化物，等过渡金属氧化物，材材料结构主要是由具有尖晶石型、岩盐型、黑锰矿型、料结构主要是由具有尖晶石型、岩盐型、黑锰矿型、方铁锰矿型等晶型的化合物或它们的混合物组成。方铁锰矿型等晶型的化合物或它们的混合物组成。由于是金属氧化物，所以通常这些材料的阻温特性由于是金属氧化物，所以通常这些材料的阻温特性很稳定。化合物做成的热敏电
39、阻材料整体受杂质的很稳定。化合物做成的热敏电阻材料整体受杂质的影响也较小。影响也较小。以尖晶石结构为例。以尖晶石结构为例。种类种类NTCNTC0 0o oC C电阻电阻值值0.01-100000.01-10000使用温度使用温度范围范围极低温用：极低温用：100K-10100K-106 6K K；低温：；低温：-1300-1300o oC C；常温：；常温：-5035050350o oC C；中温：；中温：150-750150-750o oC C；高温；高温500-1300500-1300o oC C；短；短时间测量可达到时间测量可达到20002000o oC C主要材料主要材料 极低温用极低
40、温用C C、CeCe、SiSi；低温用；低温用MnMn、NiNi、CoCo、FeFe等迁移等迁移金属氧化物再添加少量金属氧化物再添加少量CuCu的烧结体；常温用材料和低的烧结体；常温用材料和低温用材料相同，但不添加温用材料相同，但不添加CuCu；中温用三氧化二铝添加；中温用三氧化二铝添加迁移金属氧化物烧结体；高温二氧化锆和三氧化二钇迁移金属氧化物烧结体；高温二氧化锆和三氧化二钇复合体烧结体。复合体烧结体。（1 1）PTCPTC热敏电阻热敏电阻 PTC热敏电阻具有正电阻热敏电阻具有正电阻-温度系数。在一确温度系数。在一确定的温度范围内其电阻定的温度范围内其电阻-温度对应关系呈非线性显温度对应关系
41、呈非线性显著增加趋势。利用这种阻著增加趋势。利用这种阻-温特性不仅可温特性不仅可用作温度用作温度度传感器度传感器，还被用作为电阻加热元件和开关元件。，还被用作为电阻加热元件和开关元件。所以，可同时兼有敏感元件、加热器、开关三个所以，可同时兼有敏感元件、加热器、开关三个功能。功能。PTC材料主要采用材料主要采用n-型掺杂的型掺杂的BaTiO3为基的半导为基的半导体热敏电阻陶瓷器件。体热敏电阻陶瓷器件。BaTiO3系材料，若掺入微量的系材料，若掺入微量的1价、价、3价、价、5价和价和6价的金属氧化物，其电阻价的金属氧化物，其电阻-温度对应关系有几个突温度对应关系有几个突变点。在居里温度以下是半导体
42、，居里温度附近电变点。在居里温度以下是半导体，居里温度附近电导率变化几个数量级，而在居里温度以上呈典型的导率变化几个数量级，而在居里温度以上呈典型的绝缘体的情况。所谓居里温度即为电阻开始急剧增绝缘体的情况。所谓居里温度即为电阻开始急剧增大的温度，可由改变化学成分控制。大的温度，可由改变化学成分控制。BaTiO3BaTiO3中中Sr Sr、PbPb置换量和温度的关系置换量和温度的关系 1.利用高纯利用高纯TiO2和和BaCO3合成合成BaTiO3掺入施主杂掺入施主杂质。质。2.将将Ba(TiO)(C2O4)4H2O热分解的到热分解的到BaTiO3后后再实施半导体化。再实施半导体化。制备制备BaT
43、iOBaTiO3 3系热敏电阻材料的方法系热敏电阻材料的方法 在制备过程中，对在制备过程中，对Mn、Mg、Cu、Fe等杂质的等杂质的含量限制在含量限制在10-5以下，以下，BaTiO3热敏电阻的烧结工艺热敏电阻的烧结工艺条件控制比较严格，烧结温度在条件控制比较严格，烧结温度在1200-1400oC之间之间等。等。（3 3）CTRCTR临界热敏电阻临界热敏电阻 常用的常用的CTR临界热敏电阻材料多采用临界热敏电阻材料多采用VO2。VO2在在68处具有相变点，由于结构处具有相变点，由于结构变变化导致原来的半化导致原来的半导体导电机制变为金属导电机制。在相变点附近显导体导电机制变为金属导电机制。在相
44、变点附近显现出电阻急剧减小的特点在相变点边界低温侧的现出电阻急剧减小的特点在相变点边界低温侧的电阻率比高温侧的电阻率大电阻率比高温侧的电阻率大3-43-4个数量级。利用此个数量级。利用此特性制作的热敏电阻，并将其称为骤变热敏电阻或特性制作的热敏电阻，并将其称为骤变热敏电阻或临界热敏电阻。临界热敏电阻。种类种类PTCCTR0oC电阻值电阻值/K0.01-1001-1000温度使用范围温度使用范围-50-150oC0-150oC主要材料主要材料以钛酸钡为主要以钛酸钡为主要材料的烧结体材料的烧结体钒氧化物、酸性氧化物钒氧化物、酸性氧化物(P、B、Si）；）；碱性氧化物碱性氧化物(Mg、Ca、Si、B
45、a、Pb、La)2-3组分的组分的烧结体、烧结体、9.4 9.4 光敏传感器光敏传感器 光敏材料能够将非电量的光信号转换成可检测的光敏材料能够将非电量的光信号转换成可检测的电量，利用具有这种特性的材料制成的传感器称为光电量，利用具有这种特性的材料制成的传感器称为光电传感器。电传感器。光电传感器可以进行非接触测量，同时还具有结光电传感器可以进行非接触测量，同时还具有结构简单、精度高、响应速度快等优点，因此，在检测构简单、精度高、响应速度快等优点，因此，在检测和控制系统中得到广泛应用。和控制系统中得到广泛应用。可以根据材料对光波长的敏感性对光电传感器进可以根据材料对光波长的敏感性对光电传感器进行分
46、类，有可见光传感器、红外光行分类，有可见光传感器、红外光(包括近红外光包括近红外光)传传感器、紫外光传感器等。感器、紫外光传感器等。常用的光电传感器有光敏电阻、光敏晶体管、光常用的光电传感器有光敏电阻、光敏晶体管、光电耦合器、电荷耦合器件、颜色传感器等。电耦合器、电荷耦合器件、颜色传感器等。光敏传感器的原理光敏传感器的原理 光敏传感器的工作原理是基于光电效应，当光光敏传感器的工作原理是基于光电效应，当光照射物体时，物体受到大量光子的轰击，材料中照射物体时，物体受到大量光子的轰击，材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应。的电子吸收光子能量而发生相应的电效应。如电导率变化，发射电子或产生电动势
47、如电导率变化，发射电子或产生电动势 通常将光电效应通常分三类：通常将光电效应通常分三类：其一，在光照作用下使电子逸出物体表面的其一，在光照作用下使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应利用外光电效应的光敏传现象称为外光电效应利用外光电效应的光敏传感器有光电管、光电倍增管等；感器有光电管、光电倍增管等；其二，光的作用仅使物体的电阻率改变的现其二，光的作用仅使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，利用这种效应的传感器有光象称为内光电效应，利用这种效应的传感器有光敏电阻等；敏电阻等；其三，在光照作用下使物体产生一定的电势，其三，在光照作用下使物体产生一定的电势，此现象称为光生伏特效应，利用光生伏特效应
48、的此现象称为光生伏特效应，利用光生伏特效应的光电传感器有光电池、光敏晶体管等光电传感器有光电池、光敏晶体管等9.4.1 9.4.1 光敏电阻光敏电阻（1 1）工作原理）工作原理光电流光电流=亮电流亮电流-暗电流；暗电流；根据电流的大小来测定根据电流的大小来测定光的强弱。光的强弱。按半导体材料分：按半导体材料分：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。掺杂型光敏电本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。掺杂型光敏电阻中阻中n型半导体材料制成的光敏电阻性能稳定，特性型半导体材料制成的光敏电阻性能稳定，特性较好。较好。按光敏电阻的光谱特性及最佳工作波长范围分：按光敏电阻的光谱特性及最佳工作波长范围分：1.对紫外光敏
49、感的光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等；对紫外光敏感的光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等；2.对可见光敏感的光敏电阻，如硫化铊等；对可见光敏感的光敏电阻，如硫化铊等；3.对红外光敏感的光敏电阻，如硫化铅等；对红外光敏感的光敏电阻，如硫化铅等；常见的光敏电阻有硫化镉、硫化铅、锑化铟、碲镉汞常见的光敏电阻有硫化镉、硫化铅、锑化铟、碲镉汞系列光敏电阻等。系列光敏电阻等。（2 2）光敏电阻分类光敏电阻分类 目前生产的光敏电阻主要是硫化镉光敏电阻，在很目前生产的光敏电阻主要是硫化镉光敏电阻，在很宽的光谱范围内，对宽的光谱范围内，对、射线具有很高的灵敏射线具有很高的灵敏度。度。单晶硫化镉光敏电阻具有更高的光电灵敏度，
50、为了单晶硫化镉光敏电阻具有更高的光电灵敏度，为了提高光灵敏度，常在硫化镉中掺杂铜、银等物质。提高光灵敏度，常在硫化镉中掺杂铜、银等物质。其工作原理是基于内光电效应。其工作原理是基于内光电效应。光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性（3 3）光敏电阻应用实例光敏电阻应用实例自动照明自动照明9.4.2 9.4.2 太阳能电池太阳能电池（1 1）工作原理）工作原理 硅光电池是利用硅光电池是利用光生伏打效应的原光生伏打效应的原理。利用理。利用n-n-型和型和p-p-型半导体形成的型半导体形成的p-np-n结产生光生电动势。结产生光生电动势。通常在通常在N N型衬底上制造一薄层型衬底上制造一薄层P P型区
