傳感器基礎知識普及

傳感器由敏感元器件（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℃。