敏感元件-科普123

敏感元件

生物科学2023-02-03 07:08:25百科

敏感元件

[拼音]：mingan yuanjian

[外文]：sensor

能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。这种元件通常是利用材料的某种敏感效应制成的。敏感元件可以按输入的物理量来命名，如热敏（见热敏电阻器）、光敏、（电）压敏、（压）力敏、磁敏、气敏、湿敏元件。在电子设备中采用敏感元件来感知外界的信息，可以达到或超过人类感觉器官的功能。敏感元件是传感器的核心元件。随着电子计算机和信息技术的迅速发展，敏感元件的重要性日益增大。

特性

敏感元件按输入与输出关系可归纳为两类：一类是缓变型，另一类是突变型。前者的输出信号在一较宽的范围内随输入信号的增大而逐渐增加或减小(图1曲线1和2)，后者在输入信号的某个很窄的范围内有突变反应，在此范围外变化较小(图1曲线3和4)。对敏感元件的基本要求是：灵敏度、稳定性和可靠性高，互换性和生产重复性好，在某些情况下还要求有高的响应速率。

光敏电阻器

电阻值随入射光（一般指可见光）强弱而变化的敏感元件。通常入射光增强时，电阻值下降。光敏电阻器对入射光的响应与光的波长和所用材料有关。制造光敏电阻器的材料主要是镉的化合物，如硫化镉、硒化镉和两者的共晶体──硫硒化镉。其次还有锗、硅、硫化锌等。光敏电阻器用于光强控制、光－电自动控制、光-电开关、光-电计数、光－电安全保护和烟雾报警器等方面。

力敏元件

电参数随外界压力改变而变化的敏感元件。力敏元件种类繁多，如电阻式、电容式、压电式等。最常见的是金属应变计和半导体应变计。金属应变计是受外力的作用使金属箔和金属丝伸长或缩短，使电阻值发生变化来完成信息转换功能的。应变材料多采用铜、镍等金属和合金。半导体应变计是利用半导体材料的压阻效应制成的。图2表示N型硅的电阻值随压强的变化。由图2可见，在压强约为20吉帕以下时，N型硅的电阻值随压强的变化呈线性。利用这一线性段可制成半导体应变计。半导体应变计又可分为体型和扩散型两种。扩散型半导体应变计利用半导体平面工艺制成，性能优良，具有很大的发展前途。

力敏元件的基本参数为灵敏度，即电阻值的相对变化量与应变量的比值。金属应变计的灵敏系数为2～3，而半导体应变计的灵敏系数为 20～200。力敏元件可用来测量压力、位移、扭矩、加速度、气压、气体流量等力学量。

磁敏元件

一种磁电转换元件，包括霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管等。霍尔元件也称为霍尔发生器，是利用霍尔效应制成的半导体器件。霍尔元件的磁灵敏度用某一给定控制电流条件下的霍尔电压与磁感应强度的比值为单位。磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应工作的。它的磁灵敏度称为磁阻系数，即磁阻元件在某一磁场强度下的电阻值与零磁场时电阻值之比。利用磁场为媒介，磁敏元件可用于测量位移、振动、压力、角度、转数、速度、加速度、流量、电流、电功率等物理量。

气敏元件

电参数随外界气体种类和浓度变化而变化的敏感元件。气敏元件的气敏效应机理尚处于探索阶段。一般认为，气体的吸附和解吸会导致半导体表面能带结构的畸变，使宏观电阻值发生变化。半导体气敏元件灵敏度高、结构简单、使用方便、价格低廉，自60年代问世以来发展迅速。许多氧化物材料如ZnO、SnO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、MgO、NiO等都有气敏效应。一般最常用的气敏材料有SnO₂和ZnO，它们的检测灵敏度和温度有关。气敏元件的主要应用领域在防灾报警、防止公害、检测计量等方面。

湿敏元件

电参数随环境湿度变化而变化的敏感元件。湿敏元件包括电解质湿敏元件、有机高分子膜湿敏元件、金属氧化物湿敏元件和陶瓷湿敏元件等。湿敏电阻器的灵敏度以相对湿度变化 1％时的电阻值变化率来表示。多数湿敏电阻器的电阻值随湿度增加而减小，这类湿敏电阻器称为负特性湿敏电阻器。也有少数湿敏电阻器的电阻值随湿度增加而增加。湿敏元件主要用于湿度测量和控制，按测湿范围可分为高湿型、低湿型、全湿型三类。它在气象、食品、纺织、轻工部门和环境空调、仓库设施中获得广泛的应用。