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1、第九章 传感器,9.1 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。,传感器的基本组成,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
2、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：,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(
3、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：,9.2 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9-5,常见气敏传感器的类型及特征,续表,9.2.1 半导体气敏传感器,9.2.1.
4、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、催化剂等的不同而差异很大。 可分为烧结型、薄膜型、厚膜等多种形式。,（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,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
5、构简单，但因消耗功率大、稳定性差而应用较少,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。,（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
6、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。,（1）烧结性SnO2气敏传感器 3.特性,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
7、，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 。,（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，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,（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。,（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
8、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,（3）厚膜SnO2气敏传感器 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。,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
9、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,9.2.2 电化学气体传感器 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
10、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。,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Y2O3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。,ZrO2氧传感器的结构及机理,ZrO2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。,把固体电解质作
11、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。,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
12、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,9.2.3 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。,9.2.4 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,9.3 温度传感器,9.3.1 热电偶工作原理,T0,1.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,a.接触电势
13、：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,b.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,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：,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，因此不是所有材
14、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,标准化热电偶,续表,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。,9.3.2 热电阻,热电阻：
15、 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。,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。,电阻变化率与温度的关系曲线,常
16、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。,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/oC,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。,9.3.3 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
