[科普中国]-温度敏感材料

温度敏感材料能够检测物体和空间等温度，并能随温度变化给出电信号变化的材料。按与被测量物体的接触方式可分为直接接触式和非直接接触式两种。前者使用较早，至今仍是使用的主体。其中有热电体(如热电偶等)，金属电阻体(如纯金属丝或箔等)以及热敏电阻(如Mn、Co、Ni、Fe等金属氧化物烧结体和钛酸钡中添加Pb或Sr等的半导体陶瓷等)。常利用这些材料制成传感器。主要用于标准计量、特殊计量、工业计量与控制，汽车以及家电等。主要向易于使用、高感度、价格便宜、再现性好、经时变化小、响应速度快等方向发展。

分类能够感受温度，并能把温度这个物理量转换成电信号输出的器件叫做温度传感器。温度传感器是开发最早、应用最广的一类传感器。随着信息技术的发展，人们需要将所需测量的物理量，例如温度转换为电学量，从而开发了各种温度敏感材料和各种类型的温度传感器。下表是各种温度传感器的类型：1

热学性能由于热敏材料常需要传递热能信号或对热进行换能，因此需要十分关注材料相关的热学性能，如比热容、热膨胀、热传导、热稳定等。当材料加热或冷却时，物体受热不均匀或各组分的膨胀及收缩不同，会产生应力，这种应力称热应力。在无机非金属材料中，由于制造条件和使用条件等多种其他原因，特别是如果存在温度梯度时，也会产生应力。当材料受热时，其内部的电导机制发生改变，通过适当的方法能够检测到这种变化。这种现象可以看作敏感材料的热电换能特性。

当用不同种导体构成的闭合电路时，若使其结合部出现温度差，则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电动势，这种热电换能特性多见于金属和部分半导体。一些电介质受热或冷却时会出现电极化，激发起介质表面电荷，这种现象叫做热释电效应，这样的性质称为热释电特性；反之，当外加电场于热释电材料时，电场的改变会引起它的温度变化，这种效应称为电卡效应。

金属电阻温度计的工作原理金属固体中原子排列都具有一定的晶体结构，原子之间以金属键相结合，价电子是多个原子共有，所以金属固体中的价电子可以在固体中自由移动。在没有外加电场时，金属中的价电子(又称为自由电子)沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流。当施加外电场时， 自由电子沿电场方向做加速运动，从而形成电流。按经典电子理论，自由电子在定向运动过程中，要不断地与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的主要原因，电阻是由温度引起的原子的热振动及其他因素形成的晶格点阵的畸变造成的。量子自由电子理论认为，金属每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价 电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。导电时受到加速度的电子仅是靠近费密能处的电子，即参与导电的电子不是全部价电子。电子具有波粒二重性，运动着的电子作为物质波，在金属导体中，电子波受到了金属离子热振动造成的散射，也受到由于缺陷和杂质引起的晶格畸变造成的散射，电子运动受到了阻力，形成金属导体的电阻。1

厚膜型陶瓷温度敏感材料将具有感湿特性金属氧化物微粒经过堆积、粘接而形成的材料称之为陶瓷厚膜。用这种厚膜陶瓷材料制作的湿敏器件，一般被称为厚膜型陶瓷湿敏器件或瓷粉型湿敏器件，以与薄膜(厚度一般在2～20μm范围)相区别。例如CoO、CuO、ZnO及其混合体Cu2O-Fe2O3、Mn3O4-TiO2、SnO2-Sb2O3、Cr2O3·Fe2O等，其中比较典型且性能较好的是Fe2O3、Al2O3。厚膜型湿度敏感材料。厚膜型湿度敏感材料的理化性能比较稳定、器件结构比较简单、测湿量程大、使用寿命长、成本低廉。1

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学