温敏性传感膜材料设计17页PPT

第2章 温度传感器及检测
2.1 温度检测的概述 2.2 热电阻测温传感器 2.3 热电偶温度传感器 2.4 集成温度传感器 2.5 温度传感器的工程设计实例
第一节 温度测量的基本概念
一、温度测量 的基本概念
温度标志着物 质内部大量分子无 规则运动的剧烈程 度。温度越高，表买的VIP时长期间，下载特权不清零。
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敏感材料及测温原理 金属电阻的阻值大小与导体的长度
成正比,与导体的横截面积成反比,即
式中:R——导体的电阻； ρ——导体的电阻率； l——导体的长度； S——导体的截面积。
2021/8/25
改变温度t，金属导体的电阻率ρ与之大致成正比，即：
ρ=ρ0（1+αt）
式中，ρ0为0℃时导体的电阻率，α为电阻温度系数。
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方便的再生、反复使用，极具经济价值。由于操作条件 温和，特别适用于大分子的浓缩和提纯 。
壳聚糖(Chitosan)又称可溶性甲壳质、甲壳胺、几丁聚糖 等，化学名为2-氨基-β-1，4-葡聚糖，分子式为 :(C6H11O4N)n。
它是甲壳质经脱乙酰基而得到的一种天然阳离子多糖。具 有可降解性、良好的成膜性、良好的生物相容性及一定的 抗菌和抗肿瘤等优异性能。广泛应用于医药、食品、化工、 环保等行业，素有万能多糖的美誉。
用壳聚糖作为一种生物材料，和甘油磷酸盐(GPS)反应 制备温敏性凝胶。
将壳聚糖和GPS反应能制备不同pH值的生物凝胶，并且 可以通过选择pH值来控制凝胶在升高温度下的凝固时 间，所以我们有望用壳聚糖来制备在低温下具有较好的 流动性，而在体内凝固的生物凝胶，可以通过对pH和 凝固时间的控制制备人体不同部位所需的凝胶，用于人 体组织缺损的充填和美容；同时可以在溶液中加入药物， 在体内凝固后控制药物的释放。
聚乙烯醇-苯乙烯吡啶盐缩合物（PVA-sbQ)，是一种新型 光敏性高分子材料。感光性高，工艺流程简单，条件温和。 以壳聚糖和PVA-sbQ为原料，采用溶液共混法，经UV光交 联，可成功制备光交联-（PVA-sbQ）共混膜。
特点：赋予了共混膜新的特性，有望作为防紫外包装材料， 能阻止紫外光透过。
壳聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，在 医药、食品、化妆品等领域具有广阔的应用前景。 以它为前体，通过衍生反应制备的水溶性壳聚糖基 智能高分子能感知环境变化并对此做出反应，因而 在药物靶向释放和缓释、基因载体、蛋白质分离与 纯化、生物传感器以及日用化妆品等领域具有常规 材料不可比拟的优越性，具有理论研究意义和潜在 应用价值。

光如 如 壳 温 温
交何 何 聚 敏 敏

VS
详细描述
在医疗领域，温度传感器主要用于体温监 测、保温箱和恒温箱的温度控制等。例如 ，新生儿保温箱、药品储存恒温箱等都需 要精确的温度控制，以确保病患和药品的 安全。此外，体温监测也是医疗诊断中的 重要环节，温度传感器的准确性和可靠性 对于病患的及时救治具有重要意义。
环境温度测量
总结词
环境温度传感器用于气象观测、建筑节能、农业种植等领域，为人们的生活和生产提供 气象和环境数据。
温度传感器应用
要点一
总结词
温度传感器广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。
要点二
详细描述
在工业领域中，温度传感器被广泛应用于各种生产过程中 ，如冶炼、化工、热力发电等，用于监测和控制生产过程 中的温度。在医疗领域中，温度传感器被用于体温测量、 医用消毒等，为医疗诊断和治疗提供重要依据。在环境监 测领域中，温度传感器被用于气象观测、环境监测和生态 保护等方面，以监测和保护环境。
响应。
金属材料易于加工和集成，适 用于大规模生产和应用。
非金属材料
01
陶瓷、玻璃、石英等非金属材料具有较好的耐高温性能和稳定 性，适用于高温环境下的温度测量。
02
非金属材料的热敏电阻具有较高的灵敏度和稳定性，能够提供
准确的温度测量。
非金属材料易于加工成复杂的形状，适用于小型化和集成化的
03
温度传感器设计。
温度传感器是用于测量温度的装 置，它能够将温度这个非电学量 转换为可测量的电信号，以便进 一步处理和控制。
温度传感器类型
总结词
常见的温度传感器类型包括热电偶、热电阻和热敏电阻等。
详细描述
热电偶是一种利用塞贝克效应将温度转换为电势差的传感器，具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点。热电 阻是利用导体电阻随温度变化的特性进行测温的传感器，具有测量精度高、稳定性好等优点。热敏电阻是一种利 用半导体的电阻随温度变化的特性进行测温的传感器，具有灵敏度高、响应速度快等优点。

称取定量的NIPA和AM，溶于一定量的蒸馏水中， 待单体充分溶解后把溶液加入到置于恒温水浴装有 电磁搅拌器的三口反应瓶中，搅拌。升温到35℃， 通N。除氧30 min后加入拟定量的引发剂(K：S：O。 和Na。S0。)。反应12 h后将反应共聚物溶解于丙 酮，用乙醚沉淀，在40℃真空干燥后置于保干器中 备用。采用同样的方法，在上述共聚单体中加入丙 烯酸后，用NaOH水溶液调节体系pH至6左右，制备 P(AM—甲壳素、明胶和聚乳酸组成，甲壳素是一 种天然高分子化合物。各类虾、蟹等低等动物的甲壳，经 脱钙、脱脂和脱蛋白后即可提取出；同时他也存在于低等 植物如真菌、藻类酶缨胞壁中，其资源十分率富。甲壳索 的部分脱乙酰基产物——壳聚糖同时含有氨基寒羟基，可 通过化学反应形成不同结构和不同性能的产物。而明胶作 为传统载体材料，无不良反应，无免疫原性，具有生物可 降解性，与壳聚糖相互混合后，可以形成聚电解质复合物， 但其力学性能及加工性能有待改善；聚乳酸是近年来开发 的生物可降解材料，由于其良好的生物相容性和可降解性， 以及讲解产物的矿化作用和可新陈代谢，PLA已经成为了 生物降解医用领域中最受青睐的材料之一。
随着温度的上升，PNIPAAm与水的相互作用参 数突变，部分氢键被破坏，大分子链疏水部分的溶 剂化层随之被破坏。温度的升高对疏水基团的影响 表现在两个方面:一方面疏水基团间的相互作用是吸 热的“嫡驱动”过程，即随温度升高，聚合物溶液 体系的嫡增加，疏水基团的缔合作用增强;另一方面 疏水基团的热运动加剧，疏水缔合作用被削弱，同 时水分子的热运动加剧，从而改变了疏水基团周围 水分子结构与状态，使水一疏水基团的作用发生变 化，疏水缔合作用进一步被削弱。总的结果是， PNIPAAm大分子内及分子间疏水相互作用加强， 形成疏水层，水分子从溶剂化层排出表现为相变， 此时高分子由疏松的线团结构变为紧密的胶粒状结 构，从而产生温敏性。

化1℃时，热敏电阻阻值的变化率。即
T
1 RT
•
dRT dT
αT和RT对应于温度T(K)时的电阻温度系数和电
阻值，在工作温度范围内，αT不是一个常数。
热敏电阻的温度系数绝对值比金属高很多倍，
灵敏度较高，且电阻大，测量线路简单，不需要考
虑引线带来的误差，能够远距离测量。
5
敏感材料-热敏陶瓷

材料制作的PTC；另一类是以氧化钒为基的材料。
1. BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷
(1) BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件 当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶
界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。PTC效应完
全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单
晶不具有PTC效应。
纯BaTiO3具有较宽的禁带，室温下的电阻率为 1012cm，接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
Ba2+，或用Nb5+、Ta5+、W6+等置换Ti4+，获得电阻率 为103-105cm的n型半导体。电阻率一般随掺杂浓度
的增加而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低
值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚至变成
绝缘体。
BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂浓度(质量分 数)为：Nd 0.05％，Ce、La、Nb 0.2％~0.3％，Y 0.35 ％。
需要在氧化气氛下重新热处理，才能得到较好的PTC
特性，电阻率为1-103cm。
15
敏感材料-热敏陶瓷

(4) BaTiO3PTC陶瓷的生产工艺：
A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受 主杂质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限
度。一般控制在0.01mol%以下。 B、掺杂：施主掺杂物La2O3、Nb2O5、Y2O3等宜在合 成时引入，含量在0.2~0.3mol%这样一个狭窄的范围 内。

7
2．国际实用温标温度标准的同意及实用问题， 国际上协商决定，建立一种既能表达热力学温度 〔即能保证一定的准确度〕，又使用方便、容易 实现的温标，即国际实用温标International Practical Temperature Scale of 1968
(简称IPTS-68)，又称国际温标。
1235.08
1337.58
度 T68/℃
-259.31 -256.108 -252.87 -246.048
-218.798 -182.962
0.01 100.0
419.58
961.93
1064.43
10
传感器与检测技术
四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器 ①低温铂电阻温度计〔13.81K—273.15K〕； ②铂电阻温度计〔273.15K—903.89K〕； ③铂铑-铂热电偶温度计〔903.89K—1337.58K〕； ④光测温度计〔1337.58K以上〕。
SI制有七个根本单位： 长度m，时间s，质量kg，热力学温度〔Kelvin 温度〕K，电流单位A，光强度单位cd〔坎德拉〕， 物质量mol 二个辅助单位： 平面角弧度rad，立体角球面度Sr
2
CONTENTS
传感器与检测技术
§2.1 温标及测温方法 §2.2 膨胀式温度计 §2.3 电阻式温度传感器 §2.4 热电偶传感器
m=1.8n+32 ℉
n= 5/9 (m-32) ℃
13
二、温度传感器的特点与分类 传感器与检测技术
1 温度传感器的物理原理
随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化； 蒸气压的温度变化； 电极的温度变化 热电偶产生的电动势； 光电效应 热电效应 介电常数、导磁率的温度变化； 物质的变色、融解； 强性振动温度变化； 热放射； 热噪声。

0
第9页/共29页
a
如果： T1 2 3 T0
总热电势：
eAB (T1) eBC (T0 ) eCA (T0 ) eB (T1T0 ) eA (T1T0 )
KT1 ln e
N AT1 N BT1
KT0 [ln e
N BT0 NCT0
ln
NCT0 N AT0
]
T1 T0
B dT
T1
例，硅：Eg ＝1.17， 锗： Eg＝0.74
BN
E 2K
＝4289（硅）；第19页B/共N29页2=KE 6782（锗）
（3）标准电阻值R0
BN
BN
BN
BN
RT Re T Re T e T0 e T0
R e e BN T0
BN
(1 T
1 T0
)
11
RT 0
exp[
BN
( T
AdT
T0
KT1 e
ln
N AT1 N BT1
KT0 e
ln
N AT0 N BT0
T1
( B
T0
A )dT
与只有A、B时的热电偶相同，即： 第三种材料接入总电势 不变 。
同样可以证明第二种接第法10也页/不共2影9页响只有A、B时的热电偶。
2）中间温度定律
A
AT1
T3 T1
A
T2 T2
a
a
？
第8页/共29页
3、热电偶基本定律 1）中间导体定律
如图：
材料A、B、C 各不相同， 如果： T1 T2 T3
可知温差电势为0 总接触电势为接触电势：
a
T2
AC
T1 B

常见温度传感器介绍
REPORTING
热电偶温度传感器
总结词
基于热电效应原理，测量范围宽，准确度高，但响应时间较慢。
详细描述
热电偶温度传感器是利用热电效应原理进行测温的传感器，其测量范围宽，准 确度高，适用于中高温的测量。但由于其响应时间相对较慢，因此不适用于需 要快速响应的场合。
热电阻温度传感器
总结词
温度传感器通过感知周围环境的温度变化，将其转换为电信 号，再经过信号处理电路的处理，最终输出温度值。
详细描述
温度传感器内部通常包含敏感元件和信号处理电路。敏感元 件负责感知周围环境的温度变化，产生相应的电信号；信号 处理电路则对电信号进行放大、滤波、线性化等处理，最终 输出稳定的温度值。
PART 02
温度传感器类型
总结词
温度传感器有多种类型，包括热电阻、热电偶、集成温度传感器等。
详细描述
热电阻型温度传感器利用金属导体的电阻随温度变化的特性来测量温度；热电偶 型温度传感器利用热电效应原理测量温度；集成温度传感器则是将温度传感器与 信号处理电路集成在一起，具有测量精度高、体积小等优点。
温度传感器工作原理
温度传感器可用于监测工厂或工业园 区的环境温度，优化能源消耗，降低 运营成本。
农业领域应用
温室环境调控
在温室种植中，温度对作物的生 长至关重要。温度传感器可以监 测温室内外的温度变化，为温室
环境调控提供数据支持。
畜禽养殖管理
在畜禽养殖中，温度传感器可以帮 助养殖户监测畜禽的生长环境，提 高养殖效率和管理水平。
农业物联网应用
结合物联网技术，温度传感器可以 为农业智能化管理提供数据支持， 实现精准农业和智慧农业的发展。
医疗领域应用

3.2 陶瓷敏感材料
某些精密陶瓷对声、光、电、热、磁、力场及气体分布场 显示了优良的敏感特性和耦合特性，容易制得各种单功能 与多功能的传感器 由于与半导体陶瓷的导电性有关的现象多半跟晶界的存在 及性质有关，故与晶界有关的各种现象往往成为陶瓷的特 殊功能。 目前已得到实用的陶瓷传感材料可分为：①利用晶体本身 性质的NTC热敏电阻、高温热敏电阻和氧气传感器；②利 用晶界性质的PTC热敏电阻、半导体电容器；③利用表面 性质的半导体电容器、BaTiO3系压敏电阻、各种气体传 感器、湿度传感器。
1 1 1 1 Zob ZB Z ZX S
ZB (
ZS (
（3-2）
1 1 j C B ) RB
1 1 j C S ) RB
在绝缘性金属氧化物中，RB 的电阻是相当大的，在室温 Z 1 /j C 下， B B。通过多次实验 判定，相对于表面吸附水而言， ZS＝RS，ZX由CB和RS决定。 所以，式（3-2）可改为：
负温度系数热敏电阻之温度—电阻特性可表示为：
1 1 R R 0 expB 0 T T
（3-1）
式中：R、R0为、T、T0时的电阻值；B为热敏电阻常数。 由上式可得电阻温度系数为：
1 d R R 2 Rd T T
。
当热敏电阻是由氧化物组成时，其热敏电阻常数 B E 2k，其中 E 为杂质在半导体中的电场能，k为波尔兹 曼常数。据此，掺以不同种类的杂质或改变氧化物的组成 比，即可得到不同的B值。
3.1.3 其他半导体敏感材料及元件
压力敏感半导体材料是将压力转换为电信号的半导体材料。 按其换能效应原理，可分为以下两种。
1.压阻半导体材料： 这类材料受外力作用时，产生晶格形变。 晶格的距离改变，导致禁带宽度及载流子在电场下的运动状 态发生变化，促使电阻率改变。 2.压电半导体材料： 这类材料的作用机理都基于压电效应。 当外力作用到不具有对称中心的晶体上时，引起晶体中荷电 质点位移，偏离平衡位置，使材料的正负电重心不重合而极 化，晶体表面荷电。

Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University
Principles and Applications of Novel
SENS R
一、金属薄膜热电阻
技术背景：
80年代以来，薄膜技术不断成熟，薄膜热电阻 随之发展起来。 德、日和美相继建成规模化生产线，我国研究 机构（如上冶所）在薄膜热电阻的工艺研究上 取得了突破性进展，并不断有产品投入市场。 目前，阻值已扩大到2000Ω，元件尺寸已缩小 到1.6ｍｍ×1.25ｍｍ×1.1ｍｍ。 结构上有带线平面型、无引线的SMD型和外伸 导线型等。高温薄膜热电阻的温度范围提高到 850℃甚至1100℃，低温工作温度-55℃。
B L 2 Wk 0 m h K 晶格杂质散射项，负的温度系数 B 2 L q 2mh KC 2 晶界电阻项 q LNA q —— 电子电荷数 k0 —— 玻尔兹曼常数 P(0) —— 晶粒中性区空穴浓度 μP —— 空穴迁移率 （与晶格的振动散射和电离杂质散射有关） A、B —— 与温度无关的常数 mh—— 空穴的有效质量
Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University
新型传感器原理及应用
Principles and Applications of Novel Sensors
数值上，半导体电阻的相对变化（ dR/R ）值的大 小主要由电阻率变化（dρ/ρ）决定：
Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University
新型传感器原理及应用