材料化学chapter9-温度传感器

1、第九章 传感器19.1 传感器的介绍传感器：“sensor”或者“transducer”，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。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。2传感器的基本组成3按输入量分：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。 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

2、供了方便，容易根据被例对象来选择所需要的传感器。按输出量分： 传感器按输出量不同可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。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。传感器的分类：4按基本效应分： 根据传感技术所蕴涵的基本效应，可以将传感器分为物理型、化学型、生物型。 物理型是指依靠传感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。 化学型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。 生物型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号的变换。待测物

3、质经扩散作用进入固定化生物敏感膜层，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。如本部传感器、免疫传感器。传感器的分类：5 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，不同的传感器内部结构参数决定了它具有不同的外部特性。 传感器所测量的物理量基本上有两种形式：静态(稳态或准静态)和动态(周期变化或瞬态)。 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(或能量)的无失真转

4、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：69.2 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。其主要应用领域见书中表9-57常见气敏传感器的类型及特征8续表99.2.1 半导体气敏传感器9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器： 氧化锡是典型的n-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、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、催化剂等的不

5、同而差异很大。 可分为烧结型、薄膜型、厚膜等多种形式。10（1）烧结性SnO2气敏传感器 1.结构 它是有芯片、基座和金属防爆网罩三部分组成。 根据加热的方式不同，可分为直热式和旁热式。9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器11直热式SnO2气敏元件： 其管芯结构的特点是在以SnO2为主要成分的烧结体中，埋两根螺旋形铂-铱电极，它兼作加热器功能，电阻值为2-5。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12旁热式SnO2气敏元件： 其管芯的结构特点是在一根内径为0.8um、外径为1.2um的陶瓷管的两端设置一对金电极及铂-铱合金丝引出线，然后在陶瓷管的外壁涂覆以SnO2为基础材料

6、的涂层，经烧后形成气体敏感层。并在陶瓷管内放一电阻丝作为加热器，电阻值一般为30一40。这种元件热容量大，可靠性和寿命都较直热式高，大部分SnO2气敏元件采用了这种结构。13（1）烧结性SnO2气敏传感器 2.原理 氧化锡(SnO2)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

7、气体，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。14（1）烧结性SnO2气敏传感器 3.特性 15 烧结型SnO2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，如氢、CO、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300 。16（2）薄膜SnO2气敏传感器 1.结构 薄膜型SnO2气敏元件是在绝缘基板上，

8、蒸发或溅射一层SnO2薄膜，再引出两个电极而成.9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器17（2）薄膜SnO2气敏传感器 2.特性 薄膜型SnO2气敏元件工作温度较低，在250左右，表面积较大，气敏特性很好，特别是对一氧化碳和酒精灵敏度很高，但各气敏元件之间性能差异较大。18（3）厚膜SnO2气敏传感器 1.结构 厚膜型SnO2气敏元件是把SnO2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，构成具有一定功能的基片。9.2.1.1 SnO2系列气敏传感器ReO2Fe2O3氧化硅SnO2金电极金线19（3）厚膜SnO2气敏传感器

9、 2.特性 厚膜型SnO2气敏元件采用厚膜制作工艺，器件的性能一致性较好，机械强度高，适合批量生产。20 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。 氧化锌类传感器对一般还原性气体的检测灵敏度低，工作温度高，约在400-5000C。为了提高ZnO的气敏性，常常掺入一些贵金属做催化剂，如掺入Pt可提高对乙烷、丙烷、异丁烷等碳氢化合物的灵敏度。 -三氧化二铁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SnO2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度，特别是对甲烷有很高的选择性，使用与矿井瓦斯报警。其他半导体类气敏传感器219.2.2 电

10、化学气体传感器 ZrO2氧传感器二氧化锆基本性质： 高纯二氧化锆为白色粉末，含有杂质是略带黄色或灰色。ZrO2存在3种晶体结构，及单斜（m）、四方（t）和立方（c）。加热时发生相变： 1170 ZrO2(m)ZrO2(t) 2370 ZrO2 (t)ZrO2(c) 冷却时发生逆相变： ZrO2 (t) ZrO2(m) 常常在纯ZrO2中添加某些金属氧化物，如CaO等碱土金属氧化物或Y2O3等稀土氧化物，以抑制t-m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ZrO2的稳定化处理。22掺杂Y2O3后ZrO2的晶格特征： ZrO2晶格中，2个Zr4+周围最近邻有4个O2-，而加入Y2

11、O3后，Y3+置换了晶格上的Zr4+，为了保持电中性，2个Y3+周围只能有3个O2-，而置换前应有4个O2-，这样出现了一个氧离子空位。高温下，当ZrO2两侧存在氧浓度差或电压时，这些氧离子空位可接受氧离子，使氧离子从一侧相另一侧定向移动。23ZrO2氧传感器的结构及机理被测气体中的O2多空铂电极正在迁移的O2-离子氧含量恒定ZrO2-CaO24ZrO2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： 由Nernst方程的对数关系，在Ps远小于Pr时灵敏度较高，适用于低浓度氧的测定。25 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于

12、空燃比控制的ZrO2-Y2O3氧传感器。 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、锅炉的染料控制及汽车发动机的空气、染料比控制和废气排放控制等。26 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： 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； 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，相应地提高离子导电性，这样可提高测量的灵敏度，并使工作温度降至4000C 可有效减少传感器尺寸。研究前沿279.2

13、.3 新型碳纳米气敏传感器的研究进展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变，通过电阻变化的测定既可检测气体的成分。 289.2.4 气敏传感器的发展方向添加剂的使用新材料、新工艺和新技术的应用299.3 温度传感器309.3.1 热电偶工作原理T0热电动势：EABA金属B金属TTT0(a)1.热电效应：当两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，若两结点的温度不同，该电路中就会产生电动势，这种效应称之为热电效应。T0热电动势：EABA金属B金属TTT0(b)V+-31

14、a.接触电势：当两种导电材料A和B接触时，由于材料的电子密度不同，在接触面上就会发生电子的扩散，在接触面上就会形成一个稳定的电势，称为接触电势EAB。a.接触电势32b.单一导体的温差电势：单一导体中，如果两端温度分别为t、和t0(tt0)，导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散。结果在导体两端产生电势差E导(t、t0）。b.单一导体的温差电势33热电偶体系中总的电势差： 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：34 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应用可靠，并具有足够的精确度

15、，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、并有统一的标准分度表的热电偶，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。标准化热电偶35标准化热电偶36续表37 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。世界各国微偶用的电极丝，主要是0.1mm左右的PtRh10-Pt（S型）、PtRh30-PtRh6（B型）和PtRh13-Pt（R型）3种铂铑测温材料。389.

16、3.2 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-200oC一+850oC范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000oC。39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: 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。 常用的热电阻金属材料主要是铂、镍、铜以及它们的某些合金。40电阻

17、变化率与温度的关系曲线41常用制备热电阻的材料 a. 铂热电阻 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IEC标准，铂热阻的使用温度范围为-200oC+850oC。 铂热电阻的特性方程：-200-0oC范围：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0-850oC范围：Rt=R01+At+Bt2 Rt-t不成线性关系。目前我国规定工业用铂热电阻有R010和R0l00两种，它们的分度号分别为Ptl0和Ptl00，其中以Ptl00为常用。42常用制备热电阻的材料 b. 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，可以采用铜热电阻代替铂贵金属

18、热电阻，测量温度范围为-50+150oC。铜热电阻在测量温度范围内电阻和温度几乎成线性关系。 Rt=R01+at a为铜热电阻的温度系数，一般取4.28X10-3/oC43热电阻的结构 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。449.3.3 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阻，通常可分： 正温度系数热敏电阻(PTC)，随着温度的升高，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(NTC)，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。 临界温度电阻或叫骤变温度电阻(CTR). 45各种热敏电阻的电阻-温度特

19、性曲线46 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PTC和CTR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。热敏电阻的实际应用用NTC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，不过后一种方法工作点应在特定的负阻区。47用NTC和PTC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。 家用电器中PTC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，由R-T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，这样

20、元件本身就起到了自动调节温度作用。48 利用PTC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PTC热敏电阻具有正阻特性，因此将一般电阻与PTC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恒流电路。若PTC电阻与一般电阻串联，则可构成恒压电路。 NTC、PTC、CTR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，变化的机制也不完全相同。49（1）NTC热敏电阻 NTC热敏电阻具有较宽的变化范围。在很大的温度区域内其电阻值的对数随温度的倒数成正比关系变化。50 NTC热敏电阻的材料： 主要是Fe、Ni、Co、Mn等过渡金属氧化物，材料

21、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。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阻材料整体受杂质的影响也较小。 以尖晶石结构为例。 51种类NTC0oC电阻值0.01-10000使用温度范围极低温用：100K-106K；低温：-1300oC；常温：-50350oC；中温：150-750oC；高温500-1300oC；短时间测量可达到2000oC主要材料极低温用C、Ce、Si；低温用Mn、Ni、Co、Fe等迁移金属氧化物再添加少量Cu的烧结体；常温用材料和低温用材料相同，但不添加Cu；中温用三氧化二铝添加迁移金属氧化物

22、烧结体；高温二氧化锆和三氧化二钇复合体烧结体。52（1）PTC热敏电阻 PTC热敏电阻具有正电阻-温度系数。在一确定的温度范围内其电阻-温度对应关系呈非线性显著增加趋势。利用这种阻-温特性不仅可用作温度度传感器，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、开关三个功能。 PTC材料主要采用n-型掺杂的BaTiO3为基的半导体热敏电阻陶瓷器件。53 BaTiO3系材料，若掺入微量的1价、3价、5价和6价的金属氧化物，其电阻-温度对应关系有几个突变点。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绝缘体的情况。所谓居里温度即为电阻开始急剧

23、增大的温度，可由改变化学成分控制。54BaTiO3中Sr、Pb置换量和温度的关系55 1.利用高纯TiO2和BaCO3合成BaTiO3掺入施主杂质。 2. 将Ba(TiO)(C2O4)4H2O热分解的到BaTiO3后再实施半导体化。制备BaTiO3系热敏电阻材料的方法 在制备过程中，对Mn、Mg、Cu、Fe等杂质的含量限制在10-5以下，BaTiO3热敏电阻的烧结工艺条件控制比较严格，烧结温度在1200-1400oC之间等。56（3）CTR临界热敏电阻 常用的CTR临界热敏电阻材料多采用VO2。VO2在68处具有相变点，由于结构变化导致原来的半导体导电机制变为金属导电机制。在相变点附近显现出电

24、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3-4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临界热敏电阻。57种类PTCCTR0oC电阻值/K0.01-1001-1000温度使用范围-50-150oC0-150oC主要材料以钛酸钡为主要材料的烧结体钒氧化物、酸性氧化物(P、B、Si）；碱性氧化物(Mg、Ca、Si、Ba、Pb、La)2-3组分的烧结体、589.4 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。 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

25、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行分类，有可见光传感器、红外光(包括近红外光)传感器、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、光电耦合器、电荷耦合器件、颜色传感器等。59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。 如电导率变化，发射电子或产生电动势 60 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； 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，

26、利用这种效应的传感器有光敏电阻等； 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，利用光生伏特效应的光电传感器有光电池、光敏晶体管等61629.4.1 光敏电阻（1）工作原理光电流=亮电流- 暗电流；根据电流的大小来测定光的强弱。63 按半导体材料分： 本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。掺杂型光敏电阻中n型半导体材料制成的光敏电阻性能稳定，特性较好。 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； 3.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、碲镉汞系列光敏

27、电阻等。（2） 光敏电阻分类64 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、射线具有很高的灵敏度。 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。 其工作原理是基于内光电效应。 65光敏电阻的光照特性66（3） 光敏电阻应用实例自动照明679.4.2 太阳能电池（1）工作原理 硅光电池是利用光生伏打效应的原理。利用n-型和p-型半导体形成的p-n结产生光生电动势。6869 通常在N型衬底上制造一薄层P型区作为光照敏感面。当入射光子的数量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，光生电子-空穴对的浓度从表面向内部迅速

28、下降，形成由表及里扩散的自然趋势。PN结的内电场使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，电子被拉到N型区，空穴被拉到P型区，故N型区带负电，P型区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间(Ps数量级)，新的平衡状态建立后，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。70 太阳能电池可以分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池。 硅可形成单晶硅、多晶硅和非晶硅三种： 其中单晶硅太阳能电池转换效率最高、稳定性好、使用寿命长；但原材料成本较高，生产工艺复杂，价格高； 多晶硅太阳能和单晶硅的性能特点基本类似； 非晶硅太阳能电池的转换效率较低，面积较大，但由于原材料成本较低，价格比较低廉。且具有良好的抗辐射性能

29、，良好的温度特性和较高的充电效率。 （2） 太阳能电池分类71 1.通常晶体硅太阳能电池是在厚度为350-450um的高质量硅片上制成，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割得到，造成硅材料的浪费。 2.多晶硅薄膜电池主要采用化学气相沉积。包括低压化学气相沉积和等离子增强化学气相沉积。此外，液相外延法和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。（3）硅材料的制备72 化学气相沉积法主要以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4为反应气，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底一般选用Si、SiO2、Si3N4等。 为了解决难以形成较大晶粒的多晶硅并克服晶粒间的间隙等问题，采用

30、先进行低压化学气相沉积沉积一层较薄的非晶硅层，退火得到较大的晶粒，然后再沉积厚的多晶硅薄膜。制得的太阳能电池转换效率明显提高。（3）硅材料的制备73 窄禁带和宽禁带复合的太阳能电池； 染料敏化太阳能电池；（4）纳米TiO2晶体化学能太阳能电池749.4.3 光敏二极管（1）工作原理 光敏二极管是基于半导体的光生伏打效应原理的光敏元件。75 在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流。当光照射在二极管的PN结上时，在PN结附近产生电子-空穴对，并在外电场的作用下，漂移越过PN结，产生光电流。入射光的照度增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流

31、与光照度成正比。76 按材料分：锗、硅和化合物半导体材料制作的光敏二极管。 光敏二极管主要用于光度计、照度计、摄像机的露点计、频闪光灯、光纤通讯等。 与光敏电阻比较，光敏二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度等。光敏二极管的分类77（4）光敏二极管应用实例柱油液位控制装置，书中图9-21，9-22789.5 力敏传感器 力敏传感器是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力的传感器的总称，包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。 力敏传感器可以分为应变式力传感器、压阻式力传感器、压电式力传感器和电容式力传感器等几种。799.5.1 压阻式力敏传感器 电阻应

32、变片:是一种将被测件上的应变转换成为一种电信号的敏感元件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分。 电阻应变片中用的较多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。80常见的应变片类型81 金属应变片吸附在基体材料上的应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。 R=L/S金属电阻应变片的工作原理 金属电阻的变化随金属材料的长度和截面积的变化而变化。(1) 金属电阻应变片82R=L/S83 体型应变片：金属丝状应变片和金属箔状应变片 传统的金属应变片也称为形变规。用作形变规的金属材料要求由外力引起形变而产生的电阻变化率RR高、形变变化的线性好、温度系数低。与形变相应的电阻变化率通常称为标

33、准因子G，其定义为 G=(R/R)/(L/L)+av+1 v约为0.384合金名称成分(质量分数）G温度系数/K-1阿范斯康铜Cu-42Ni2.042.1220X10-6康铜Cu-40Ni1.72.020 x10-6高阻镍铬合金Ni-20Cr-3Fe-3Cu2.020 x10-6锰铜Cu-13Mn0.450.5015x10-6镍铬合金Ni-24Fe-16Cr2.02.5150 x10-6Pt-IrPt-20Ir6.0800 x10-685 金属电阻应变片可分为： 体型应变片和薄膜型，属于体型的有金属丝状应变片和金属箔状应变片，见书中图9-23，9-24. 薄膜性应变片极薄，其厚度不大于0.1u

34、m，它是采用真空蒸发或真空沉积等镀膜技术将电阻材料镀在基片上，制得各种敏感栅而制成应变片。86金属电阻丝应变片的构造示意图87 金属丝应变片中敏感材料的直径在0.01-0.05mm之间，主要优点是能在高温、强磁场、核辐射等特殊条件下使用。 金属箔片应变片是利用照相制版技术或光刻腐蚀技术将电阻箔片在绝缘基底上制成各种图案并形成应变片，敏感栅的箔片很薄，主要优点是散热能力强，输出功率大，灵敏度高等。88(2) 半导体应变片 半导体材料的压阻效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。半导体应变片是直接用单晶硅或单晶锗等半导体材料进行切割、研磨、切条。焊引线一系列工艺工程制作完成的。 半导体应变片的工作

35、原理是对半导体在某一晶向上施加压力时，其电阻率会发生一定的变化。这种电阻率变化和应力之间的相互关系称为半导体压阻效应。89条形半导体基片引线半导体应变片结构示意图90(3) 薄膜压力传感器 薄膜压力传感器的制作工艺流程中的关键技术是敏感元件的制作，即在弹性元件上沉积四种功能膜。金膜保护膜膜电阻绝缘膜弹性元件91 薄膜工艺具体顺序:弹性元件表面预处理镀Ta2O5绝缘膜(起过渡连接作用）SiO2绝缘膜Ni-Cr合金电阻膜(将压力信号转换为电信号输出)SiO2保护膜(可防水、防氧化等，保证电阻膜的稳定性）Au膜作为电极将信号引出。 功能膜采用离子束溅射工艺在经过预处理后的弹性元件表面沉积而成的，离子

36、束溅射镀膜的原理是在高真空环境下从离子源引出Ar离子加速后轰击靶材，靶材原子逸出后在弹性元件衬底上成长为薄膜。929.5.2 压电式力敏传感器 正压电效应：某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉，它们有重新回到不带电的状态。 逆压电效应：在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压片发生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象。 常见的材料的有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。93+-+-+-+-压电晶体产生压电效应的机理(a) 表示晶体中质点在某方向上的投影(b) 晶体受到挤压作用(c) 晶体受到拉伸作用+-+-+-+94 压电传感器中的压电材料

37、主要有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢铵。 其中石英晶体的压电系数较低。 酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但只能在室温和湿度比较低的环境下应用。 磷酸二氢铵属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度。压电式力敏传感器应用材料95 现在压电效应也应用在多晶体上，比如压电陶瓷。 钛酸钡压电陶瓷具有比较高的压电系数和介电常数，但是机械性能不如石英。 铌酸盐系压电陶瓷是以铁电体铌酸钾和铌酸铅为基础的，铌酸铅的介电常数较低，在铌酸铅中用钡或锶代替一部分铅，可以得到具有较高机械品质的铌酸盐压电陶瓷。 锆钛酸铅系压电陶瓷压电系数比较高，在其中添加一两中微量元素，可以获得不同性能的锆钛酸铅系压电陶瓷材料。9

38、6 压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经的到了广泛的应用，同时它在航空领域中也发挥不可估量的作用。 压电式传感器可以用于发动机内部燃烧压力与真空度的测量；也可用于军事工业。压电式力敏传感器应用979.6 磁敏传感器 磁敏传感器是磁场信息转换成各种有用信号的装置，它是各种测磁仪器的核心。 磁敏传感器主要是半导体磁敏传感器，它是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器，常用的有霍尔传感器和磁敏电阻传感器(简称磁阻传感器)，此外，还有磁敏二极管、磁敏三极管等。 磁敏传感器是利用磁场工作的，因此可以通过非接触方式检验。非接触方式可以保证传感器寿命长、可靠性高。98半导体

39、磁敏电阻材料 半导体磁敏电阻材料主要是InSb、InAs晶体或薄膜以及InSb-NiSb共晶体和InSb共晶薄膜等。 InSb磁敏电阻分为体型和薄膜型两种： 体型是将厚度为300600m的InSb单晶片粘贴到绝缘基片上后在减薄至5-10m而制成的。 薄膜型采用真空蒸发和真空溅射工艺制备，以真空蒸发为主。 InSb-NiSb共晶体中，电阻率比InSb小的多的NiSb以针状体形式定向排列，这样就相当于在共晶体中嵌入了许多金属丝。99强磁性薄膜磁敏电阻材料 强磁性薄膜磁敏电阻材料是指一类具有各向异性效应的磁敏材料。这类材料在磁化方向平行于电流方向时，阻值最大，在磁化方向垂直于电流方向时，阻值最小。

40、因此改变磁化方向与电流方向的夹角，即可改变强磁性薄膜磁敏电阻材料的阻值。 强磁性薄膜磁敏电阻材料主要是Ni-Co合金薄膜和Ni-Fe合金薄膜。1007.6.1 霍尔元件 霍尔传感器的基本原理：IBUH101 当电流通过放在磁场中的半导体基片（霍尔元件）且电流方向磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁通的半导体基片的横向侧面上产生一个电压，这个电压称为霍尔电压UH。霍尔电压的高低与通过的电流I和磁感应强度B成整比，表示式为： UH=RHIB/d 通过的电流I一定时，霍尔电压UH与磁场强度B成正比。102 霍尔效应是半导体中的载流子(电流的运动方向)在磁场中受洛仑兹力作用发生横向漂移的结果，结果使导电板

41、的一端表面相对另一端表面积累了多余的电子，另一端表面因缺少电子而积累了多余的正电荷。这两种积累电荷在导电板内部宽度的方向上建立了附加电场，称霍尔电场。 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛仑兹力作用外，还受着反向的电场力，其大小随着两端面上积累多余电荷的增加，霍尔电场强度增加，电子受的电场力也增加，最后电子受的洛仑兹力和霍尔电场力的大小相等，方向相反，即达到平衡。103 霍尔元件常用的材料主要有GaAs和InSb，另外还有Ge和InAs。霍尔元件常用材料及应用 霍尔磁敏传感器的应用较为广泛：家电产品的磁头；洗衣机中的电动机主要依靠霍尔传感器检测和控制电动机的转速、转向等 霍尔传感器在工业中

42、应用如离心机；油田上可以计算油的流量等。 此外，霍尔传感器在飞机、军舰、航天器、新军事装备及通讯中也得到广泛的应用。1047.6.2 InSb磁阻元件 磁阻元件传感器的基本原理：IBRLIcd105 InSb磁阻元件是利用半导体磁阻效应做成的一种磁敏电阻器。 当电流通过放在磁场中的半导体基片（霍尔元件）且电流方向磁场方向垂直时，除了产生霍尔效应之外，还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。 其中原因包括物理磁阻效应和几何磁阻效应。106 物理磁阻效应有称为磁电阻效应，它表现为半导体片的电阻率随外磁场和材料中迁移率的变化而变化。 在霍尔电场E的作用下，运动速度为v=E的电子不发生偏转，而速度大于

43、或小于v的电子运动方向受到EH的作用都发生偏转。电子运动方向发生变化的直接结果是沿电流Ic方向上的电流密度减小，电阻率增加，这种现象称为物理磁阻效应。 物理磁阻效应107108 几何磁阻效应描述的是导体磁阻效应与半导体片几何形状的关系。 在相同的磁场作用下，由于半导体晶片几何形状不同导致电阻值不同变化的现象称为几何磁阻效应。 不同几何形状有不同的磁阻比，其中宽而短的半导体片有较好的磁阻效应。 几何磁阻效应109 要制作高灵敏度磁敏电阻，在材料方面应选用高迁移率的半导体材料，在几何方面要求短而宽。半导体材料中，InSb的电子迁移率最大，是硅材料的50倍，在几何方面，就是形成栅格性磁敏电阻元件。磁

44、敏电阻材料和制作方面的要求110 磁敏电阻与被测物体连接在一起，当待测物体移动时，将带动磁敏电阻在磁场中移动。由于磁阻效应，磁敏电阻的阻值将发生变化，据此可以求得待测物体的位移大小。该传感器的优点是：结构简单、体积小、精度高、可以实现非接触式测量；缺点是；量程小，仅适用于5mm以下位移的测量。磁敏电阻传感器的应用111 磁敏电阻压力传感器- 磁敏电阻和永磁体安装在弹性片上，所以InSb电阻对永磁体的相对位移与压力成整比关系。根据这种原理制成的压力传感器主要应用在血压计、气压计、水压计和真空计等方面。磁敏电阻传感器的应用弹性片InSb电阻弹簧永磁体气压112 小信号检测用InSb电阻磁头也是用I

45、nSb磁敏电阻作为核心敏感元件，主要在票证检伪、自动测量技术中。 今年来，弱磁检测磁敏传感器的开发备受青睐。如利用硅微悬臂梁的机械谐振的集成磁敏传感器；利用非晶带作电感的隧道二极管振荡器等。113 1. 检测弱磁场，大都以高灵敏度和高分辨率力为研制目标； 2. 尽可能利用微机械加工和微电子线路进行集成，使新开发的传感器便于大量生产，能形成工业化产品； 3. 利用硅材料优越的力学性能、各类非晶材料的次性能、高温超导材料的磁特性等，也就是注重新材料的研制和开发； 4. 利用微生物来做磁传感器。磁敏传感器新构想1149.7 一些新型的传感器 纳米材料泛指粒径、厚度、线度在1-100nm范围内的纳米粉

46、末、膜，线以及纳米多空材料，包括金属、氧化物、无机化合物和有机化合物等。 纳米材料尺度的减小以及表面状态的改变，会使其表现出许多既不同于微观粒子又不同于宏观物体的特性，例如小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和微观量子隧道效应等等。9.7.1 纳米传感器115一、纳米微粒的性质1.小尺寸效应: 当微粒的尺寸与光波的波长，德布罗意波长及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性边界条件将被破坏，声光、电磁、热力学特征均会出现新的尺寸效应。如：陶瓷的韧性增加，因为微粒界面原子排列混乱，原子在外力的变形条件下自己容易迁移，表现出甚佳的韧性与一定的延展性；而金属则有些强度和硬度变化

47、甚大。1162.表面与界面效应： 微粒的尺寸的减小，表面积大幅度增加，由于高的比表面的存在，表面能和表面 张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。纳米微粒表面原子所处的晶体场环境和结合能与内部原子不同，存在许多悬空键，极易和其他原子结合而趋向稳定，所以纳米微粒有很高的表面活性。 如纳米过渡金属储氢的能力金属表面吸附氢过渡金属原子与氢相结合形成固溶体形式的氢。1173.量子尺寸效应： 孤立原子的能级是分立的，能量是量子化的，材料中电子的能级或能带与组成材料的颗粒尺寸有密切的关系。 如：宏观金属通常用准连续的能级描述，到纳米尺寸准连续的能级便为离散能级，低温下，费米能级附近的平均能级间隔大于K

48、T,金属纳米微粒显示出与块状材料显著不同的物理性质，金属的这种物理效应称为久保效应4.量子隧道效应1184.量子隧道效应： 隧道效应是量子力学中的微观离子所有的特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率。 宏观物理量，如：微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等也显示出隧道效应。119 纳米材料在传感器上的应用原理：利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应制成传感器。传感器开发与纳米材料的开发相比，主要体现在应用方面更加具体化。传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。 将在军事和医学上表现出不可估量的前景。纳米传感器120 多功能传感器能转换两种以上的不同物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。 9.7.2 多功能传感器121 (1)多功能传感器系统由若干