傳感器及敏感元件基礎知識

什么叫傳感器？從廣義上講，傳感器就是能感知外界信息并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成，有的半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器。敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來講，可分為①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。②化學類，基于化學反應的原理。③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將傳感器分46類）。下面對常用的熱敏、光敏、氣敏、力敏和磁敏傳感器及其敏感元件介紹如下。
一 溫度傳感器及熱敏元件
溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導體熱敏電阻等。以半導體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內，半導體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點，而且制造工藝簡單、價格低廉。
1 半導體熱敏電阻的工作原理
按溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數熱敏電阻，反之為負溫度系數熱敏電阻。
⑴ 正溫度系數熱敏電阻的工作原理
此種熱敏電阻以鈦酸鋇（BaTio3）為基本材料，再摻入適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫燒結爾成。純鈦酸鋇是一種絕緣材料，但摻入適量的稀土元素如鑭（La）和鈮（Nb）等以后，變成了半導體材料，被稱半導體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對于導電電子而言，晶粒間界面相當于一個位壘。當溫度低時，由于半導體化鈦酸鋇內電場的作用，導電電子可以很容易越過位壘，所以電阻值較小；當溫度升高到居里點溫度（即臨界溫度，此元件的‘溫度控制點’ 一般鈦酸鋇的居里點為120℃）時，內電場受到破壞，不能幫助導電電子越過位壘，所以表現為電阻值的急劇增加。因為這種元件具有未達居里點前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調溫和自動控溫的功能，只發熱，不發紅，無明火，不易燃燒，電壓交、直流3～440V均可，使用壽命長，非常適用于電動機等電器裝置的過熱探測。
⑵ 負溫度系數熱敏電阻的工作原理
負溫度系數熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內的載流子（電子和空穴）數目少，電阻較高；溫度升高，體內載流子數目增加，自然電阻值降低。負溫度系數熱敏電阻類型很多，使用區分低溫（-60～300℃）、中溫（300～600℃）、高溫（>600℃）三種，有靈敏度高、穩定性好、響應快、壽命長、價格低等優點，廣泛應用于需要定點測溫的溫度自動控制電路，如冰箱、空調、溫室等的溫控系統。
熱敏電阻與簡單的放大電路結合，就可檢測千分之一度的溫度變化，所以和電子儀表組成測溫計，能完成高精度的溫度測量。普通用途熱敏電阻工作溫度為-55℃～+315℃，特殊低溫熱敏電阻的工作溫度低于-55℃，可達-273℃。
2 熱敏電阻的型號
我國產熱敏電阻是按部頒標準SJ1155-82來制定型號，由四部分組成。
第一部分：主稱，用字母‘M’表示 敏感元件。
第二部分：類別，用字母‘Z’表示正溫度系數熱敏電阻器，或者用字母‘F’表示負溫度系數熱敏電阻器。
第三部分：用途或特征，用一位數字（0-9）表示。一般數字‘1’表示普通用途，‘2’表示穩壓用途（負溫度系數熱敏電阻器），‘3’表示微波測量用途（負溫度系數熱敏電阻器），‘4’表示旁熱式（負溫度系數熱敏電阻器），‘5’表示測溫用途，‘6’表示控溫用途，‘7’表示消磁用途（正溫度系數熱敏電阻器），‘8’表示線性型（負溫度系數熱敏電阻器），‘9’表示恒溫型（正溫度系數熱敏電阻器），‘0’表示特殊型（負溫度系數熱敏電阻器）
第四部分：序號，也由數字表示，代表規格、性能。
往往廠家出于區別本系列產品的特殊需要，在序號后加‘派生序號’，由字母、數字和‘-’號組合而成。
例： M Z 1 1
序號
普通用途
正溫度系數熱敏電阻器
敏感元件
3 熱敏電阻器的主要參數
各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其出廠參數允許范圍之內。熱敏電阻的主要參數有十余項：標稱電阻值、使用環境溫度（最高工作溫度）、測量功率、額定功率、標稱電壓（最大工作電壓）、工作電流、溫度系數、材料常數、時間常數等。其中標稱電阻值是在25℃零功率時的電阻值，實際上總有一定誤差，應在±10%之內。普通熱敏電阻的工作溫度范圍較大，可根據需要從-55℃到+315℃選擇，值得注意的是，不同型號熱敏電阻的最高工作溫度差異很大，如MF11片狀負溫度系數熱敏電阻器為+125℃，而MF53-1僅為+70℃，學生實驗時應注意（一般不要超過50℃）。
4 實驗用熱敏電阻選擇
首選普通用途負溫度系數熱敏電阻器，因它隨溫度變化一般比正溫度系數熱敏電阻器易觀察，電阻值連續下降明顯。若選正溫度系數熱敏電阻器，實驗溫度應在該元件居里點溫度附近。
例MF11普通負溫度系數熱敏電阻器參數
主要技術參數名稱 參數值 MF11熱敏電阻符號外形圖
標稱阻值（kΩ） 10～15 片狀外形 符號
額定功率 （W） 0.25
材料常數B范圍（k） 1980～3630
溫度系數（10-2/℃） -（2.23～4.09）
耗散系數（mW/℃） ≥5
時間常數（s） ≤30
最高工作溫度（℃） 125

粗測熱敏電阻的值，宜選用量程適中且通過熱敏電阻測量電流較小萬用表。若熱敏電阻10kΩ左右，可以選用MF10型萬用表，將其擋位開關撥到歐姆擋R×100，用鱷魚夾代替表筆分別夾住熱敏電阻的兩引腳。在環境溫度明顯低于體溫時，讀數10.2k ,用手捏住熱敏電阻，可看到表針指示的阻值逐漸減小；松開手后，阻值加大，逐漸復原。這樣的熱敏電阻可以選用（最高工作溫度100℃左右）。
新教材熱敏特性實驗如圖：

應將熱敏電阻封裝后再放入水中。最簡單的封裝是用長電工朔料套管，也可密封于類似的圓珠筆桿內。
下面是實測的一組數據。
編號 溫度（℃） 電阻值（k）
1 15 14 R=R0expB（T-1-T0-1）T0=25+273KB：材料及結構常數（B是溫度的函數）R0：標準溫度T0時阻值
2 20 11
3 25 9．9
4 30 9．2
5 35 8．5
6 40 7．8

幾種實用測溫傳感器
a空調內專用溫控傳感器：熱敏元件封在銅金屬官中。
b 氣溫測量傳感器

二 光傳感器及光敏元件
光傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件發展迅速、品種繁多、應用廣泛。市場出售的有光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池等。
1 光敏電阻器
光敏電阻器由能透光的半導體光電晶體構成 ，因半導體光電晶體成分不同，又分為可見光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化鎵晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當敏感波長的光照半導體光電晶體表面，晶體內載流子增加，使其電導率增加（即電阻減小）。
光敏電阻的主要參數：
◆光電流 、亮阻：在一定外加電壓下，當有光（100lx照度）照射時，流過光敏電阻的電流稱光電流；外加電壓與該電流之比為亮阻，一般幾kΩ～幾十kΩ。
◆暗電流、暗阻：在一定外加電壓下，當無光（ 0 lx照度）照射時，流過光敏電阻的電流稱暗電流；外加電壓與該電流之比為暗阻，一般幾百kΩ～幾千kΩ以上。
◆最大工作電壓：一般幾十伏至上百伏。
◆環境溫度：一般-25℃至 +55℃，有的型號可以-40℃至+70℃。
◆額定功率（功耗）：光敏電阻的亮電流與外電壓乘積；可有5mW至300mW多種規格選擇。
◆光敏電阻的主要參數還有響應時間、靈敏度、光譜響應、光照特性、溫度系數、伏安特性等。
值得注意的是，光照特性（隨光照強度變化的特性）、溫度系數（隨溫度變化的特性）、伏安特性不是線性的，如以CdS（硫化鎘）光敏電阻的光阻有時隨溫度的增加而增大，有時隨溫度的增加又變小。
硫化鎘光敏電阻器的參數：
型號規格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
環境溫度（℃） -40～+60 -25～+55 -40～+70 -40～+70
額定功率（mW） 20 10 5 200
亮阻，100lx（kΩ） ≤2 ≤50 ≤2 ≤2
暗阻， 0lx（MΩ） ≥1 ≥10 ≥0.2 ≥1
響應時間 （ms） ≤20 ≤20 ≤20 ≤20
最高工作電壓（v） 100 50 20 250

2 光電二極管

和普通二極管相比，除它的管芯也是一個PN結、具有單向導電性能外，其他均差異很大。首先管芯內的PN結結深比較淺（小于1微米），以提高光電轉換能力；第二PN結面積比較大，電極面積則很小，以有利于光敏面多收集光線；第三光電二極管在外觀上都有一個用有機玻璃透鏡密封、能匯聚光線于光敏面的“窗口”；所以光電二極管的靈敏度和響應時間遠遠優于光敏電阻。

常見的幾種光電二極管及符號如下：

2DU有前極、后極、環極三個極。其中環極是為了減小光電二極管的暗電流和增加工作穩定性而設計增加的，應用時需要接電源正極。光電二極管的主要參數有：最高工作電壓（10～50V）,暗電流（≤0.05～1微安），光電流（＞6～80微安），光電靈敏度、響應時間（幾十ns～幾十μs）、結電容和正向壓降等。
光電二極管的優點是線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點是單獨使用輸出電流（或電壓）很小，需要加放大電路。適用于通訊及光電控制等電路。
光電二極管的檢測可用萬用表R×1K擋，避光測正向電阻應10KΩ～200 KΩ，反向應∞，去掉遮光物后向右偏轉角越大，靈敏度越高。
光電三極管可以視為一個光電二極管和一個三極管的組合元件，由于具有放大功能，所以其暗電流、光電流和光電靈敏度比光電二極管要高得多，但結構原因使結電容加大，響應特性變壞。廣泛應用于低頻的光電控制電路。
常見的光電三極管形狀及符號如下：

半導體光電器件還有MOS結構，如掃描儀、攝象頭中常用的CCD（電荷耦合器件）就是集成的光電二極管或MOS結構的陣列。

三 氣敏傳感器及氣敏元件
教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實驗。由于氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少手段，氣敏傳感器發揮著極其重要的作用。例如生活環境中的一氧化碳濃度達0.8～1.15 ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥等狀態，達1.84ml/L時則有在幾分鐘內死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。利用SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經適當燒結工藝進行表面修飾，制成旁熱式燒結型CO敏感元件，能夠探測0.005%～0.5%范圍的CO氣體。還有許多易爆可燃氣體、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進行探測的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300℃～400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。電化學氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產生的電流，也可以是離子作用于離子電極產生的電動勢。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；下面重點介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件。
半導體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減小；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于N型半導體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的可燃氣體（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表面；氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態吸附也要放出電子，從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態。這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。
目前國產的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結在金屬氧化物半導體管芯內；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內穿加熱絲，管外側有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經高溫燒結而成。
氣敏元件的參數主要有加熱電壓、電流，測量回路電壓，靈敏度，響應時間，恢復時間，標定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導體元件。靈敏度較高，穩定性較好，響應和恢復時間短，市場上應用廣泛。QM-N5氣敏元件參數如下：標定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓≥2V，響應時間≤10S，恢復時間≤30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.5～5.5V、測量回路電壓5～15V、負載電阻0.5～2.2K。下圖為氣敏元件的簡單測試電路（組成傳感器），電壓表指針變化越大，靈敏度越高；只要加一簡單電路可實現報警。常見的氣敏元件還有MQ-31（專用于檢測CO），QM-J1酒敏元件等。

四 力敏傳感器和力敏元件
力敏傳感器的種類甚多，傳統的測量方法是利用彈性材料的形變和位移來表示。隨著微電子技術的發展，利用半導體材料的壓阻效應（即對其某一方向施加壓力，其電阻率就發生變化）和良好的彈性，已經研制出體積小、重量輕、靈敏度高的力敏傳感器，廣泛用于壓力、加速度等物理力學量的測量。
五 磁敏傳感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍爾器件（基于霍爾效應）、磁阻器件（基于磁阻效應：外加磁場使半導體的電阻隨磁場的增大而增加。）、磁敏二極管和三極管等。以磁敏元件為基礎的磁敏傳感器在一些電、磁學量和力學量的測量中廣泛應用。
在一定意義上傳感器與人的感官有對應的關系，其感知能力已遠超過人的感官。例如利用目標自身紅外輻射進行觀察的紅外成像系統（夜像儀），黑夜中可1000米發現人，2000米發現車輛；熱像儀的核心部件是紅外傳感器。1991年海灣戰爭中，伊拉克的坦克配置的夜視儀探測距離僅800米，還不及美英聯軍的一半，黑暗中被打得慘敗是必然的。目前世界各國都將傳感器技術列為優先發展的高新技術的重點。為了大幅度提供傳感器的性能，將不斷采用新結構、新材料和新工藝，向小型化、集成化和智能的方向發展。