传感器的物理定律与特性解析

这里所说的传感器的物理定律，是指在传感器的设计和使用过程中所必须遵循的物理定律，它们都是物理学的基本定律，可分为四大类：守恒定律、统计法则、场的定律和物质定律。

1）守恒定律

守恒定律表示物理量随着空间和时间的移动，其总量保持不变的定律，包括能量守恒、动量守恒和电荷守恒等定律。传感器与被测量之间能量转换时必须遵守守恒定律。

2）统计法则

统计法则是分子、原子、电子等运动的微观世界与能被直接观察的宏观世界相结合的定律，如热力学第二定律。这些统计法则常与传感器的工作状态有关。

3）场的定律

场的定律描述电场、磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变化规律。这些变化规律可由物理方程给出，这些物理方程可作为传感器工作的数学模型。例如，利用静电场定律研制的电容式传感器，利用电磁感应定律研制的电感式传感器等。利用场的定律构成的传感器称为结构型传感器。

4）物质定律

物质定律表示各种物质本身内在客观性质的定律，如胡克定律（F＝kx）、欧姆定律等。这些客观性质常用表示物质固有性质的物理常数加以描述，常数的大小决定着传感器的主要性能，如胡克定律中的弹性系数k和欧姆定律中的电阻R。利用半导体物质法则——压阻、热阻、光阻、湿阻等效应，可分别做成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件。基于物质定律构成的传感器称为物性型传感器。

微课：结构型和物性型传感器的比较

【例1.1】　举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别。

结构型传感器是遵循场的定律构成的传感器，而物性型传感器是基于物质定律构成的传感器，如电容式传感器就是利用静电场定律研制的结构型传感器，而压敏传感器则是利用半导体材料的压阻效应制成的物性型传感器。下面对电容式传感器和压敏感器进行比较。

电容式传感器由固定极板和活动极板组成，如图1.1所示。设极板间距为d，极板的有效长度为l，极板宽度为b，则极板面积为l·b，这样一个电容器的电容为(www.xing528.com)

图1.1　电容式传感器

当电容式传感器的活动极板发生位移Δl时，电容器的极板有效面积将减小为，这时，电容器的电容变为

化简得

则输出灵敏度为

由此我们看到，对于电容式传感器，它的输出灵敏度是由极板的尺寸b、极板间距离d、极板间介质的性质εr决定的，而与构成传感器的具体物质（极板材料）无关。

压敏传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的。所谓的“压阻效应”，是指对半导体材料施加压应力时，材料除产生变形外，其电阻率ρ也要发生变化，如图l.2所示。这里，电阻率ρ的变化情况除与外加压应力的大小有关外，还与半导体材料的性质有关。例如，在构成压敏传感器的半导体硅片中，掺入不同种类的杂质（硼或磷），或者掺入杂质的浓度不同，都会使压敏传感器的特性受到决定性的影响。因此，对于压敏传感器这类物性型传感器来说，其特性与构成传感器的物质的性质有密切关系。

图1.2　压阻效应

通过比较可以看出，结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，与构成传感器的物质的性质无关，而物性型传感器的特性则主要由构成传感器的物质的性质决定。一般来说，结构型传感器的性能由于与物质的性质无关，因此性能稳定，不易受环境温度的影响。目前，结构型传感器在工业测量等方面应用广泛，但制造性能良好的结构型传感器，需要很高的技术水平，成本较高。与此对照，物性型传感器却随着半导体技术和物性物理学的飞速发展正迅速地发展起来。这种物性型传感器与集成电路（IC）的生产一样，随着产量的增大，成本显著降低。物性型传感器是今后传感器的发展方向之一，所占的比例将不断增大。