第六章 化学传感器(离子敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器)
气敏传感器
蜂鸣器
R1
气敏传感器
R3
SCR
~U
R6
R2
R4
W
R5
氖管 NTC电阻
PTC电阻 氖管 B R2
R3
BCR BZ 蜂鸣器 R4
~U
气敏传感器
R1
图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。 刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压 器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电1～2min后，阻值急剧 增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。
3.2 应用举例
例1：家用可燃性气体报警器电路。
B
R
~220V 氖管Biblioteka 气敏传感器BZ 蜂鸣器
家用可燃性气体报警器电路
图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓 度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的 电流，足以推动其工作而发出报警信号。
例2：实用酒精测试仪（测试驾驶员醉酒的程度）。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜
制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加
热电极，中间为加热器。 金属氧化物 输出极 加热器
薄膜型
加热电极
2.3 工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。 当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
高中物理选修知识复习提纲：第六章传感器人教版
高三物理选修3-2知识点总结：第六章传感器人教版第六章：传感器本章从生活中常见的传感器入手;以对传感器的认识过程为主线;以转换思想为理论依据;深入研究了传感器的原理、应用以及自动控制电路的设计;重点是对传感器的认识过程、传感器的原理的理解及其在各领域的广泛应用;学会由非电学量转换为电学量的转换思想;掌握传感器和自动控制电路的工作过程;会用传感器和转换思想;设计简单的自控装置..知识构建：新知归纳：一、传感器及其工作原理:传感器是这样一类元件：它能够感受诸如力、光、声、化学成分等非电学量;并能把它们按照一定的规律转换成为电压、电流等电学量;或转换成为电路的通断..●传感器的分类：常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的;根据测量的不同;可将传感器分为物理型、化学型和生物型..①物理型传感器是：利用被测量物质的某些物理性质如电阻、电压、电容、磁场等发生明显变化的特性制成的;如光电传感器、力学传感器等..②化学型传感器是：利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的..③生物型传感器是：利用各种生物或生物物质的特性做成的;用以检测与识别生物体内化学成分的传感器;生物或生物物质;主要是指各种酶、微生物、抗体等;分别对应酶传感器、微生物、传感器、免疫传感器等等●传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量;如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等;而它输出的大多是电学量;如电压、电流、电荷量等;这些输出信号是非常微弱的;一般要经过放大等处理后;再通过控制系统产生各种控制动作..●光敏电阻现象：光敏电阻在光照条件下;电阻值很小；在无光条件下;电阻值很大..普通电阻与光照条件无关..分析论证：光敏电阻由半导体材料制成;无光照时;载流子极少;导电性不好；随着光照的增强;载流子增多;导电性变好;普通金属电阻内自由电子受光照影响很小;所以电阻一般与光照条件无关..特点：光敏电阻的电阻大小与光照的强弱有关;光照强度越大;电阻越小..●热敏电阻和金属热电阻：特点：热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关;温度变化;阻值有明显变化..作用：热敏电阻是将温度的高低这个热学量转换为电阻这个电学量..●金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大;这样的电阻也可以做成传感器;称为热电阻;金属电阻随温度的升高而增加..热敏电阻与金属热电阻的区别：热敏电阻和金属热电阻都随温度的变化而变化;金属热电阻的化学稳定性好;测温范围大;但灵敏度较差；热敏电阻的灵敏性好;但化学稳定性较差..●霍尔效应：厚度为凿的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中;当恒定电流I通过导体板时;导体板的左右侧面出现电势差;这种现象称为霍尔效应●原理：外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力;在导体板的一侧聚集;在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷;从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力;当静电力与洛伦兹力达到平衡时;导体板左右两侧会形成稳定的电压..●霍尔电压公式：其中k为比例系数;称为霍尔系数;其大小与薄片的材料有关.二、传感器的应用：●力传感器的应用——电子秤力传感器的构造:常见的力传感器是由金属梁和应变片组成;力传感器的原理;弹簧钢制成的梁形元件右端固定;在梁的上下表面各贴一个应变片;在梁的自由端施加力云;则梁发生弯曲;上表面拉伸;下表面压缩;上表面应变片的电阻变大;下表面的电阻变小;力越大;弯曲形变越大;应变片的阻值变化就大;如果让应变片中通过的电流保持恒定;那么上面应变片两端的电压变大;下面应变片两端的电压变小;传感器把这两个电压的差值输出;外力越大;输出的电压差值也就越大..●声传感器的应用——话筒话筒的作用：将声信号转换为电信号原理：如下图所示;Q是绝缘支架;薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器;被直流电源充电;当声波使膜片振动时;电容发生变化;电路中形成变化的电流;于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压.●温度传感器的应用——电熨斗：温度传感器：由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器;它可以把热信号转换为电信号进行自动控制..电熨斗的自动控温原理常温下;上、下触点应是接触的;但温度过高时;由于双金属片受热膨胀系数不同;上部金属膨胀大;下部金属膨胀小;则双金属片向下弯曲;使触点分离;从而断开电源;停止加热;温度降低后;双金属片恢复原状;重新接通电路加热;这样循环进行;起到自动控制温度的作用..●扩展阅读：红外线传感器与红外测温仪红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器;红外线又称红外光;它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质;任何物质;只要它本身具有一定的温度高于绝对零度;都能辐射红外线;红外线传感器测量时不与被测物体直接接触;因而不存在摩擦;并且有灵敏度高、响应快等优点..红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路;光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类;检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件;热敏元件应用最多的是热敏电阻;热敏电阻受到红外线辐射时温度升高;电阻发生变化;通过转换电路变成电信号输出;光电检测元件常用的是光敏元件;通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成..红外线传感器常用于无接触温度测量;气体成分分析和无损探伤;在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用;例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图;可以发现温度异常的部位;及时对疾病进行诊断治疗；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视;可实现大范围的天气预报..采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等..红外测温仪的测温原理是将物体如钢水发射的红外线具有的辐射能转变成电信号;红外线辐射能的大小与物体如钢水本身的温度相对应;根据转变成的电信号大小;可以确定物体如钢水的温度;任何物体只要它的温度高于绝对零度;就有热辐射向外部发射;物体温度不同;其辐射出的能量也不同;且辐射波的波长也不同;但总是包含着红外辐射在内;千摄氏度以下的物体;其热辐射中最强的电磁波是红外波;所以对物体自身红外辐射的测量;便能准确测定它的表面温度;这就是红外测温仪测温依据的客观基础;。
高中物理选修课件第六章传感器及其工作原理
利用光学原理测量位移。如光栅尺、激光干涉仪 等。
3
应用领域
机械加工中的尺寸检测、自动化设备中的位置控 制、建筑工程中的形变监测等。
速度加速度测量方法及应用
机械式速度加速度测量
01
利用机械机构直接测量速度或加速度。如测速发电机、加速度
计等。
光电式速度加速度测量
02
利用光学原理测量速度或加速度。如光电编码器、激光多普勒
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感 受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的 信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和 控制等要求。
传感器分类
根据其工作原理和应用领域，传感器可分为多种类型，如物 理传感器、化学传感器、生物传感器等。其中，物理传感器 又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
传感器发展趋势
• 微型化：随着微电子技术和纳米技术的不断发展，传感器的体积将越来越小， 功耗将越来越低，同时性能将更加优越。微型化传感器将更容易集成到各种智 能设备和系统中，实现更加智能化和便捷的应用。
• 多功能化：未来传感器将不仅具备单一的测量功能，还将集成多种功能于一体 。例如，一个传感器可以同时测量温度、湿度、气压等多种参数，或者同时具 备测量和通信功能。
实验控制
传感器还可以用于实验控制，例如在力学实验中，通过力传感器可以实时监测和控制实验 中的力的大小和方向，从而确保实验的准确性和安全性。
数据采集与处理
传感器在实验过程中可以实时采集数据，并通过计算机进行数据处理和分析。这使得实验 数据的获取更加便捷和准确，提高了实验效率和精度。
日常生活中的传感器应用
利用弹性元件受压变形的原理来测量压力。如弹 簧管压力表、膜片式压力表等。
电化学传感器综述ppt课件
二、控制电位电解型（电流型）气体传感器
监测和控制大气环境中污染物的排放关系到人类社 会的可持续发展；
目前的气体检测手段：热导分析、磁式氧分析、电子捕 获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、 化学发光式气体分析仪、电化学式传感器、化学分析法。
化学发光式气体分析仪：检测灵敏度高、准确性强，但 仪器体积大，不能用于现场检测，且价格昂贵；
以测得的电动势 E 值与相应的 lgaMn+值绘制工作曲线，即可
求得未知溶液中待测离子的浓度。
9
离子传感器研究较多的是玻璃电极，除测量PH的 电极外，引进玻璃的成分，已制成 Na+、K+、NH4+、 Ag+、Tl+、Li+、Rb+、Cs+等一系列一价阳离子的选 择性电极；
利用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成 F-、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-等阴离子选择电极
3
化学传感器的分类：
按检测物质种类可以分为：以pH传感器为代表的 各种离子传感器，检测气体的气体传感器以及利 用生物特性制成的生物传感器等等。 依据其原理可分为：① 电化学式；② 光学式； ③ 热学式；④质量式等。 电化学传感器是利用电化学原理，将被测组份的 浓度变化与电信号联系起来，从而提供被检测体 系中化学组份实时信息的一类器件。
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特点：灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量
少、可微型化、价格低廉等。
分类：电化学式和光学式；
生物电化学传感器：电位式、电流式和电导式；
研究和应用最多的是酶传感器。
1962年 Clark等人提出将酶作为与电极结合试剂，并通过检测其 酶催化反应所消耗的氧气来测定葡萄糖的含量。
化学传感器的研究进展分解
电流型气体传感器
电流型气体传感器(AGS )，属于电气传感器的一个大且重 要的一个分类，有着悠久和丰富的历史。其在环境监控， 医疗健康，工业安全保障监督和自动化工业上的应用受到 越来越大重视[4]。电流式传感器既能满足一般检测所需要 的灵敏度和准确性，又有体积小、操作简单、携带方便、 可用于现场监测又价格低廉等优点。所以，在目前已有的 各类气体检测方法中，电化学传感器占有很重要的地位， 越来越引起国内外专家学者的普遍关注和成为竞相研发的 热点项目之一。各种基于电阻、电位或氧化还原电流转化 的电化学传感器得到了广泛的研究.
气体传感器的应用
光纤化学传感器
光纤化学传感器，在分析化学领域开辟了一片新天地。利 用化学发光、生物发光以及光敏感器件与光导纤维技术制 作传感器。特别是光导纤维传感器及以光导纤维为基础的 各种探针技术，具有响应快、灵敏度高、抗电磁干扰能力 强、体积小、功耗小、耐高温与腐蚀等特点，能够使多个 光纤传感器共用同一根光纤、同一光源和同一信号检测设 备，从而降低了系统成本，易于组成光纤传感网络。尤其 是光纤传感器具有抗电磁干扰能力，这一特性使它在强电 磁干扰或恶劣环境中仍然能够实现在线监测。光纤化学传 感器在过程分析中具有很大的应用潜力，十儿年来得到了 突吃猛进的发展，成为化学传感器研究的新方向[22]
化学传感器的研究进展分解
化学传感器的概念
化学传感器(chemical sensor)通常描述成一种分析方 法，这种分析方法更适合于被称作“分析化验”或者 “感觉系统”，但是化学传感器通常是连续的获得数 据信息，而感觉系统获得信息是不连续的[2]。在R. W . C atterall的著作[3]中将化学传感器定义为一种装 置，通过某化学反应以选择性方式对特定的待分析物 质产生响应从而对分析质进行定性或定量测定。此传 感器用于检测及测量特定的某种或多种化学物质。
气敏传感器
1.3 半导体式气敏传感器的工作原理 半导体式气敏传感器：
–利用半导体气敏元件同气体接触，造成 半导体性质发生变化的原理来检测特定 气体的成分或者浓度
半导体式气敏传感器可分为：
–电阻式 –非电阻式
表面电阻控制型气敏传感器的工作原理 ㈠表面电导理论 表面电阻控制型元件的表面电阻会根据待测气体 种类及浓度的不同增大或减小。当半导体器件被加热 到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被 吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解 而固定在吸附处（化学吸附）。吸附分子和材料表面 层交换电子而带上不同的电荷成为正离子或负离子， 同时影响半导体材料表面层的性质。
体电阻控制型
半导体气敏传感器 二极管式气敏传感器 非电阻控制型 MOS二极管式气敏传感器 Pd-MOSFET气敏传感器
图1：半导体式气敏传感器的分类
气敏传感器的性能要求：
对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等
正是由于吸附的气体分子从材料表面得到或者给 予电子，使表面层的阻值发生了改变，我们分别考虑 以下两种情况：
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器 件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现空间电荷区。 氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子 接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器 件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的 气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体 或电子供给性气体。
图6 ：输出电压与温度的关系
2.2 半导体传感器在实际电路中的应用
高中物理 第六章 传感器 第1节 传感器及其工作原理(含解析)2
第1节传感器及其工作原理1．传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。
2．非电学量转换为电学量的意义把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。
2．原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
四、霍尔元件1．霍尔元件如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，它就成为一个霍尔元件。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
2．霍尔电压U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。
1．自主思考——判一判(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。
(×)(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。
气敏传感器介绍1
1. 负特性湿敏半导瓷的导电机理 负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场, 当水在半导 瓷表面吸附时, 就有可能从半导瓷表面俘获电子, 使半导瓷表 面带负电.如果该半导瓷是P型半导体, 则由于水分子吸附 使表面电势下降.若该半导瓷为N型, 则由于水分子的附着 使表面电势下降.如果表面电势下降较多, 不仅使表面层的电子耗尽, 同时吸引更多的空穴达到表 面层, 有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度, 出现所 谓表面反型层, 这些空穴称为反型载流子.它们同样可以在 表面迁移而对电导做出贡献, 由此可见, 不论是N型还是P型 半导瓷, 其电阻率都随湿度的增加而下降.图9 - 5表示了几 种负特性半导瓷阻值与湿度之关系.
2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构, 电子能量状态与负特性材料有所不同.当水分子附着半导瓷 的表面使电势变负时, 导致其表面层电子浓度下降, 但还不足 以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度, 此时仍以电子 导电为主. 于是, 表面电阻将由于电子浓度下降而加大, 这 类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大. 如果对 某一种半导瓷, 它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多, 那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用.
这时, P-N结中的载流子浓度保持平衡值, 势垒高度(图9 11(a)中的q(UD-U))亦无变化. 当P-N结开路或接有负载时, 势垒区电场收集的光生载流子 便要在势垒区两边积累, 从而使P区电位升高, N区电位降低, 造 成一个光生电动势, 如图9 - 11(b)所示.该电动势使原P-N结 的势垒高度下降为q(UD-U q U -U).其中V即光生电动势,它相当于 V , 在P-N结上加了正向偏压.只不过这是光照形成的, 而不是电源 馈送的, 这称为光生电压, 这种现象就是光生伏特效应.