半导体敏感元件(热敏元件与温度传感器) (2)
《传感器与检测技术》期末考试试卷及答案(1)
传感器与自动检测技术一、填空题（每题3分)1、传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。
2、金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。
3、半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后,其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应.4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是它们都是在外界力作用下产生机械变形,从而导致材料的电阻发生变化.5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主,而机械形变为辅。
6、金属应变片的灵敏度系数是指金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数。
7、固体受到作用力后电阻率要发生变化,这种现象称压阻效应.8、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。
9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。
10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变,电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。
11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化.12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变,电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化.13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化.14、要把微小应变引起的微小电阻变化精确地测量出来，需采用特别设计的测量电路，通常采用电桥电路.15、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容的变化来实现对物理量的测量。
传感器的敏感材料与敏感元件介绍
3.2.1 温度敏感陶瓷材料
❖ 陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半 导等物理性质随温度而变化的现象制成的，其中电阻随温度 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③稳定性。
❖ 按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻 （NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻 （CTR）3类。
❖ 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材 料等。
❖ 按照材料的结构类型进行分类。该分类方法包括半导体 敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子 敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。
3.1 半导体敏感材料及元件
❖ 传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可 将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。
图3-8 TiO2含量对电阻的影响
❖ 3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料
钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaTiO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。
积的空隙中。间隙较小的
是氧四面体中心，为A位置，
间隙较大的则是氧八面体
位置，为B位置。
图3-6 两种结构类型
❖ （2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响。
热敏电阻及其原理应用
热敏电阻及其原理应用热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
1简介热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件.热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。
温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。
但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。
制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。
热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。
但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。
[1] 利用的原理是温度引起电阻变化.若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线.这就是半导体热敏电阻的工作原理.热敏电阻包括正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)热敏电阻，以及临界温度热敏电阻(CTR)。
2特点①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化;②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃)，低温器件适用于-273℃～55℃;③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择;⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产;⑥稳定性好、过载能力强。
3工作原理热敏电阻将长期处于不动作状态;当环境温度和电流处于c区时，热敏电阻的散热功率与发热功率接近，因而可能动作也可能不动作。
半导体敏感元件(热敏元件与温度传感器)
为了提高温度传感器的可靠性，可以采用耐极端环境的材料和制造工艺，优化结构设计，加强品质控制等方法。此外，定期检查和维护也是保持传感器可靠性的重要措施。
要点三
可靠性问题
06
未来展望
利用纳米材料的高敏感性和稳定性，提高热敏元件和温度传感器的精度和可靠性。
纳米材料
复合材料
生物材料
探索新型复合材料，结合不同材料的优点，实现更广泛的温度测量范围和更高的稳定性。
利用生物材料的独特性能，开发具有生物相容性和环保性的热敏元件和温度传感器。
03
02
01
新材料的应用
研究先进的薄膜工艺，降低热敏元件和温度传感器的制造成本，提高生产效率。
薄膜工艺
利用微纳加工技术，实现热敏元件和温度传感器的微型化和集成化，提高其响应速度和灵敏度。
微纳加工技术
开发具有柔性的热敏元件和温度传感器，适应不同应用场景的需求，如可穿戴设备和生物医疗领域。
磁阻元件
磁阻元件是一种利用磁性材料电阻变化的传感器，其电阻值随温度变化而变化。磁阻元件具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点，常用于高精度温度测量和控制系统。
热磁效应
04
温度传感器的应用
工业生产过程中需要对温度进行精确控制，以确保产品质量和生产效率。温度传感器可以实时监测生产设备的温度，并将数据反馈给控制系统，实现精确的温度控制。
详细描述
要点三
总结词
可靠性问题是指温度传感器在特定条件下能否正常工作的问题，涉及到传感器的使用寿命和故障率。
要点一
要点二
详细描述
温度传感器的可靠性问题主要与其工作环境和内部结构有关。在高温、低温、高湿、高压等极端环境下，传感器可能会出现故障或性能下降。此外，传感器的结构设计、制造工艺和材料选择也会影响其可靠性。
温度传感器实验
实验二（2）温度传感器实验实验时间 实验编号 无 同组同学 邓奡一、实验目的1、了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN 结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理；2、掌握热电偶的冷端补偿原理；3、掌握热电偶的标定过程；4、了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。
二、实验原理1、热电偶测温原理由两根不同质的导体熔接而成的，其形成的闭合回路叫做热电回路，当两端处于不同温度时回路产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。
试验中使用两种热电偶：镍铬—镍硅（K 分度）、镍铬—铜镍（E 分度）。
图所示为热电偶的工作原理，图中：T 为热端，0T 为冷端，热电势为)()(0T E T E E AB AB t -=。
热电偶冷端温度不为0℃时（下式中的1T ），需对所测热电势进行修正，修正公式为：),(),(),(0110T T E T T E T T E +=,即：实际电动势+测量所得电动势+温度修正电势对热电偶进行标定时，以K 分度热电偶作为标准热电偶来校准E 分度热电偶。
2、铂热电阻铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在C 650T C 0︒≤≤︒时，)1(20BT AT R R T ++=,式中：T R ——铂热电阻在T ℃时的电阻值0R ——铂热电阻在0℃时的电阻值 A ——系数（=C ︒⨯/103.96847-31） B ——系数（=C ︒⨯/105.847--71）3、PN 结温敏二极管半导体PN 结具有良好的温度线性，PN 结特性表达公式为：γln be ekTU =∆， 式中，γ为与PN 结结构相关的常数；k 为波尔兹曼常数，K J /1038.1k 23-⨯=； e 为电子电荷量，C 1910602.1e -⨯=； T 为被测物体的热力学温度（K ）。
当一个PN 结制成后，当其正向电流保持不变时，PN 结正向压降随温度的变化近似于线性，大约以2mV/℃的斜率随温度下降，利用PN 结的这一特性可以进行温度的测量。
《传感器原理与应用》综合练习答案(期末考试)
《传感器原理与应用》综合练习一、填空题1．热电偶中热电势的大小仅与金属的性质、接触点温度有关，而与热电极尺寸、形状及温度分布无关。
2．按热电偶本身结构划分，有普通热电偶、铠装热电偶、微型热电偶。
3．热电偶冷端电桥补偿电路中，当冷端温度变化时，由不平衡电桥提供一个电位差随冷端温度变化的附加电势，使热电偶回路的输出不随冷端温度的变化而改变，达到自动补偿的目的。
4．硒光电池的光谱峰值与人类相近，它的入射光波长与人类正常视觉的也相近，因而应用较广。
5．硅光电池的光电特性中，光照度与其短路电流呈线性关系。
6．压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。
7．压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。
电畴具有自己极化方向。
经过极化过的压电陶瓷才具有压电效应。
8．压电陶瓷的压电常数比石英晶体大得多。
但石英晶体具有很多优点，尤其是其它压电材料无法比的。
9．压电式传感器具有体积小、结构简单等优点，但不能测量频率小的被测量。
特别不能测量静态量。
10．霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛伦茨力作用发生位移的结果。
11．霍尔元件是N型半导体制成扁平长方体，扁平边缘的两对侧面各引出一对电极。
一对叫激励电极用于引入激励电流；另一对叫霍尔电极，用于引出霍尔电势。
12．减小霍尔元件温度误差的措施有：（1）利用输入回路的串联电阻减小由输入电阻随温度变化；引起的误差。
（2）激励电极采用恒流源，减小由于灵敏度随温度变化引起的误差。
13．霍尔式传感器基本上包括两部分：一部分是弹性元件，将感受的非电量转换成磁物理量的变化；另一部分是霍尔元件和测量电路。
14．磁电式传感器是利用霍尔效应原理将磁参量转换成感应电动势信号输出。
15．变磁通磁电式传感器，通常将齿轮的齿（槽）作为磁路的一部分。
当齿轮转动时，引起磁路中，线圈感应电动势输出。
16．热敏电阻正是利用半导体的数目随着温度变化而变化的特性制成的热敏感元件。
17．热敏电阻与金属热电阻的差别在于，它是利用半导体的电阻随温度变化阻值变化的特点制成的一种热敏元件。
精品课件- 热敏元件、温度传感器及应用
EAB (T )
EAB (T0 )
k e
(T
T0 ) ln
NA NB
接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接触点的温度，而与导体的形状及 尺寸无关。
当两结点的温度相同即T=T0时，回路中总电动势为零。
二、单一导体的温差电势（温差电动势） 温差电动势是在单一导体中，由于温度不 同而产生的一种电动势。
二、热电偶参考端温度为Tn时的补正法
1、热电势补正法
若参考端温度高于0℃，则EAB(T,T0)<EAB(T,0℃)。 可 利 用 下 式 计 算 并 修 正 测 量 误 差 ： EAB(T,0℃)= EAB(T,T0)+EAB(T0,0℃) ， 式 中 ， EAB(T,T0)为用毫伏表直接测得的热电势毫伏数。修正时，先测得参考端 温度T0，然后从此热电偶分度表中查出EAB(T0,0℃)，此值相当于损失掉的热电势， 并把它加到所测得的EAB(T,T0)上，由此求得EAB(T,0℃)，此值是已得到补偿的热电势， 根据此值再在分度表上查出相应的温度值。计算修正法共需要查分度表两次。若参 考端温度低于0℃，由于查出的EAB(T0,0℃)是负值，所以仍用上式计算修正。
热敏元件、温度传感器及应用
一、温度的基本概念 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的概念是以热平 衡为基本的。若两个相接触的物体的温度不相同，它们之 间就会产生热交换，热量将从温度高的物体向温度低的物 体传递，直到两个物体达到相同的温度为止。温度的微观 概念是温度标志着物质内部大量分子的无规则运动的剧烈 程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。
( kT ln e
N AT N BT
kT0 ln e
N AT0 ) N BT0
T
温度传感器实验
实验二（2）温度传感器实验实验时间 2017.01.12 实验编号 无 同组同学 邓奡一、实验目的1、了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN 结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理；2、掌握热电偶的冷端补偿原理；3、掌握热电偶的标定过程；4、了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。
二、实验原理1、热电偶测温原理由两根不同质的导体熔接而成的，其形成的闭合回路叫做热电回路，当两端处于不同温度时回路产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。
试验中使用两种热电偶：镍铬—镍硅（K 分度）、镍铬—铜镍（E 分度）。
图2.3.5所示为热电偶的工作原理，图中：T 为热端，0T 为冷端，热电势为)()(0T E T E E AB AB t -=。
热电偶冷端温度不为0℃时（下式中的1T ），需对所测热电势进行修正，修正公式为：),(),(),(0110T T E T T E T T E +=,即：实际电动势+测量所得电动势+温度修正电势对热电偶进行标定时，以K 分度热电偶作为标准热电偶来校准E 分度热电偶。
2、铂热电阻铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在C 650T C 0︒≤≤︒时，)1(20BT AT R R T ++=,式中：T R ——铂热电阻在T ℃时的电阻值0R ——铂热电阻在0℃时的电阻值A ——系数（=C ︒⨯/103.96847-31） B ——系数（=C ︒⨯/105.847--71）3、PN 结温敏二极管半导体PN 结具有良好的温度线性，PN 结特性表达公式为：γln be ekTU =∆， 式中，γ为与PN 结结构相关的常数；k 为波尔兹曼常数，K J /1038.1k 23-⨯=； e 为电子电荷量，C 1910602.1e -⨯=；T 为被测物体的热力学温度（K ）。
当一个PN 结制成后，当其正向电流保持不变时，PN 结正向压降随温度的变化近似于线性，大约以2mV/℃的斜率随温度下降，利用PN 结的这一特性可以进行温度的测量。
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3热电阻
学沈 阳 工 业 大
原理：热能 热电阻 电阻值 T
热电阻
R
材料：纯金属 ---铂、铜、镍、铁
温度 热电阻 阻值
铂电阻在0～630.7来自℃范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为
Rt R0[1 At Bt 2 ]
当-190℃<t<0℃时
Rt R0[1 At Bt 2 C(t 100 )t3 ]
(90%,10%)
纯铂
纯铂
铂铹6 镍硅
(97.5%,2.5%)
实用使用测温范围 0 ~ 1600 ℃ 0 ~ 1600 ℃ 0 ~ 1800 ℃ -40 ~ 1300 ℃
分度号 S R B K
大
分度表--热电势与热端温度之间关系列成表格
冷端为0 ℃
2.热电偶
2.4 热电偶结构
学 沈 a) 普通热电偶： 阳 结构：1-热电极 2-绝缘套管 3-保护套管 4-接线盒 工 b) 铠装热电偶：
2.1 工作原理（热电效应，或称为赛贝克效应）
学沈 阳
两种不同导体构成闭合回路 两个节点（A、B）温度不同
电动势
工
接触电势（珀尔贴电势）
业
不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势
大
EAB (T )
kT q
ln
NA NB
温差电势（汤姆逊电势）
同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→ 低） →电势
T
EA (T ,T0 ) AdT
学沈 阳 工
热敏元件与温度传感器
业 大
本章主要内容
学沈 阳 工 业 大
1.概述 2.热电偶 3.热电阻 4.半导体陶瓷热敏电阻 5.硅电阻温度传感器 6.半导体热敏二极管 7.集成温度传感器
1.概述
学沈 阳 工 业 大
温度最本质的性质
当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束 后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。
铜电阻
在-50～180℃范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为
Rt R0 (1 t)
温度0℃时的电阻 值
α:铜电阻温度系数（4.25×10-3- 4.28×10-3/℃)
3热电阻
学沈 阳 工 业 大
热电阻结构
3热电阻
学沈 阳 工 业 大
热电阻结构
铂电阻温度传感器采用日本进口薄膜铂电阻元件精心制作而成，具有精度高， 稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点, 适用于小管道（1/2英吋~8英吋）以及狭 小空间高精度测温领域，与二次显示表以及PLC配合。
4 半导体陶瓷热敏电阻
学沈 阳 工 业 大
A负温度系数热敏电阻(NTC)
数学表达式
RT
RT0
exp
BN
1 T
1 T0
105
ln RT
BN
1 T
1 T0
ln RT0
104
导电机理
电 103
阻/Ω
102
120 100 85 70 50 30 10 0 -10 T/ºC
2.热电偶
学沈 阳 工 业 大
冷端温度补偿方法：
B 冷端温度修正法
设：冷端温度恒为t0（t0≠0）被测温度为 t
测量得出的热电势
修正公式 (t,0) E(t, t0 ) E(t0 ,0)
被测温度 t 的热电势
冷端 t0的热电势
C仪表机械零点调整法
将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之 前就给显示仪表输入了电势E(t0, 0)。
A=3.96847×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-12/℃4 构成： 金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈 特点： (1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工
艺性好。不能用于还原介质 。 (2) 输入输出特性接近线性
3热电阻
学沈 阳 工 业 大
T0
σA-汤姆逊系数
2.热电偶
2.1 工作原理
学沈
EAB (T，T0 ) eAB (T ) eB (T，T0 ) eBA(T0 ) eA (T0，T )
阳
kT q
ln
NA NB
T
BdT
T0
k T0 q
ln
NB NA
T0
AdT
T
kT q
ln
NA NB
T
BdT
T0
k T0 q
2.热电偶
学沈 阳
2.2热电偶基本定律 中间导体定律
热电偶中接入第三种材料，只要接入材料两端温度相等，热电偶总热电势不变。
工
业
大
中间温度定律 EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
A
A
T1
B
T2
B
T3
A B
2.热电偶
2.3 常用热电偶材料
学沈 阳 工 业
材料
铂铹10 铂铹13 铂铹30 镍铬
大
普通工业热电偶
铠装热电偶
表面温度热电偶
2.热电偶
2.5 热电偶的冷端补偿
学 沈 热电势:
E f (T ) f (T0 )
阳 测 温: 获得T → T0固定 → T0=0℃（冷端） 工 冷 端：干扰、波动 T00 误差 冷端温度补偿
业 冷端温度补偿方法：
大 A 0℃恒温法
适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用
4 半导体陶瓷热敏电阻
金属氧化物为原料，采用陶瓷工艺制备的具有半导体特性的热敏电阻。
学沈 阳 工 业 大
分类 A负温度系数热敏电阻(NTC)
测温范围宽，主要用于温度测量; B正温度系数热敏电阻(PTC)
温度范围较窄，一般用于恒温加热控制，或 者温度开关。一些功率PTC元件作为发热元件 使用;
C临界温度系数热敏电阻(CTR) 温控开关
ln
NA NB
T
AdT
T0
工 业
kT q
ln
NA NB
T 0
( B
A)dT
( kT0 q
ln
NA NB
T0
( B
0
A)dT
=F(T)-F(T0)
大
若T0为常数， E(T,T0)=F(T)-C
两种特殊情况
若两种导体相同： NA=NB → E=0 若两端无温差： T=T0 → E=0
注：热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与 导体的粗细长短及两导体接触面积无关。
业 结构：热电极 + 绝缘材料
大
+ 金属保护套
特点：细长(1~3mm)，可以弯曲，挠性好，强度高 测端热容量小，动态响应快(0.01s)。
c) 薄膜型热电偶：
具有热容量小, 反应速度快等的特点, 热相应时间达到微秒级。
2.热电偶（thermocouple）
2.4 热电偶结构
学沈 阳 工 业
普通工业热电偶
液体膨胀式温度计
固体膨胀式温度计
玻璃管温度计
双金属温度计
1.概述
学沈 阳 工 业 大
温度传感器
温度 → 敏感元件 → 电参数
分类
温度 传感器
热电式 热阻式
热电偶
金属
热电阻
半导体
半导体陶瓷热敏电阻
热敏二极管
PN结式 热敏三极管
集成温度传感器
测量方法
接触测温 非接触测温
热传导测温 热辐射测温
2.热电偶