怎样做传感器 传感器及其工作原理
传感器及其工作原理
一、认识传感器
1.传感器
（1）定义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断.
☞生活中的实例
（2）基本特性：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等.
2.传感器的工作原理：传感器通过敏感元件感受的通常是非电学量，而它利用转换元件输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图所示.
敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电.
☞敏感原件干簧管的结构及原理
如图所示，它由用玻璃管封入两个软磁性材料制成的簧片组成.当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”.干簧管是一种能够感知磁场的传感器，广泛用于电工设备和电子设备中.
3.传感器的特点
微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化它是实现自动检测和自动控制的首要环节.传感器的存在和发展，让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等，让物体慢慢“活”了起来.
4.传感器的分类
（1）按照其用途可分为：压力传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、雷达传感器等.
（2）按照其原理可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等.
（3）按其输出信号可分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号；
数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）；
膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号（包括直接和间接转换）；
开关传感器—当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号.
（4）按照其测量目的可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器.
☞几种传感器中的敏感元件
二、对敏感元件的认识
1、光敏电阻：是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器.
（1）特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻，由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小.
（2）本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变强，电阻就会减小.
（3）作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱，应用光敏电阻可制成光电计数器.
☞街旁路灯和江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的光敏性.
2.热敏电阻和金属热电阻
（1）热敏电阻
①由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.
②分类：热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）.正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小（这是最常见到的热敏电阻，如边栏图R-T图象中的热敏电阻）；临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数.它们的电阻率随温度的变化如边栏图中ρ-t图象所示.
☞金属热电阻与热敏电阻的R-T特性曲线
☞各种热敏电阻的电阻率随温度的变化情况
（2）金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻一般的金属热电阻的灵敏度较差.
（3）氧化锰热敏电阻和金属热电阻的对比
三、霍尔元件
1、霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上、制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件.
2、霍尔电压
（1）表达式：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则MN间出现霍尔电压UH，UH＝kIB/d.
（2）原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），
拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，电子在洛伦兹力作用下发生偏转，并在左右两侧表面积累，则左侧表面积累负电荷，右侧表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定.
☞霍尔元件的分类
霍尔元件可分为两类：一类是金属霍尔元件，其载流子是自由电子；另一类是半导体霍尔元件，其载流子是空穴（可以认为是带正电的粒子）.
设M、N左右两板距离为h，E、F上下两板距离为d，则eE场=eU/h＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把kIB/d称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.
3、霍尔电势高低的判断
由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面.
☞霍尔电势判断要点
在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向（电流方向一定时，无论载流子是正电荷还是负电荷，载流子受力方向均相同）.
4.霍尔元件的作用
一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定，则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故霍尔元件又称磁敏元件.
☞霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式三种形式.
为了“省钱”，做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画
无论是日常生活，还是工业系统，都离不开传感器。比如，陀螺仪能帮助手机感知方向和倾斜角度，自动驾驶技术依靠激光雷达、摄像头和超声波传感器作为“眼睛”和“耳朵”。更有甚者，美国斯坦福大学Seung-min Park将摄像头和电化学传感器装在马桶上，拍摄臀部照片，并检测尿液或粪便中葡萄糖、红细胞等标志物的含量，上个厕所连带诊断多种疾病。这款“智能”马桶在结肠癌等癌症的早期发现上表现卓越，赢得2023年的搞笑诺贝尔奖之一，也被戏称为“斯坦福马桶” [1]。
Seung-min Park博士和他的智能马桶，背景《思想者》。图片来源：Science NEWS [1]
关于传感器的论文层出不穷，但今天我们来聊聊科学家为了“省钱”，用树叶、纸这些“便宜货”做传感器的趣闻。之所以选择这个话题，源自近日巴西圣卡洛斯联邦大学Bruno Campos Janegitz 课题组在ACS Sustainable Chemistry & Engineering 杂志上发表的论文，他们利用CO2激光热解技术，将落叶表面碳化，制成了一种“落叶传感器”，能够检测生物或药物样品中的多巴胺和扑热息痛的含量。
“落叶传感器”的制造工艺示意图。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. [2]
研究者采集了一种中南美洲牛油果树（Persea americana Mill）的落叶，这是一种来源广泛、成本低廉且环境友好的材料。“落叶传感器”对多巴胺和扑热息痛的线性检测范围分别为10~1200 μmol•L–1和5.0~100.0 μmol•L–1，检测限分别为1.1和0.76 μmol•L–1。“将落叶焚烧，或让其成为堆肥，不如把它们用作高附加值的基材，制造电化学传感器”，Janegitz教授说 [3]。不过，叶子风干后会变得特别脆，不知道对测试有没有影响，把这样一个传感器放在口袋里，用的时候会不会已经碎成渣渣了呢……
“落叶传感器”及多巴胺和扑热息痛的电化学检测。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. [2]
事实上，在叶子上制作传感器的文章也不少，不过大多数都是用来检测植物本身的信号，比如水、活性氧、葡萄糖、植物激素和矿物质离子等。这类传感器主要用于原位实时监测农业生产过程中植物的生长状态，以及它们是否受到自然（如干旱、高温等）或生物（如害虫或微生物）的威胁。
可穿戴电化学传感器用于植物健康监测。图片来源：Trends Plant Sci. [4]
通常，这类研究依赖于可穿戴电化学传感器，但在提高选择性和稳定性、监测植物中的小分子、环境条件以及植物与环境的相互作用方面，以及如何减少传感器对植物的损害或对植物生理（如光合作用）的影响等方面，还有很多改进空间。
检测大豆叶片失水量的可穿戴传感器。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces [5]
聊完树叶传感器，再来说说如何用纸张制作传感器。说到这，方法可就多了，毕竟，各种检测试纸都可以算作化学传感器。与塑料和玻璃等材质相比，纸张成本低、一次性使用、丰富且易于运输。不过，过去十几年，人们的关注重点从基本设计转向了图案化技术，以获得更准确和定量的结果。制备方法也是五花八门，除了刚刚提到的激光技术，还有3D打印、丝网印刷、喷墨打印，甚至直接用铅笔画 [6-9]。
纸基电化学测试器件。图片来源：Nat. Protoc. [6]
是的，你没看错，直接用铅笔画个传感器，就可以发论文，还不只一篇呢。早在2011年，就有研究者用铅笔绘制了锂-空气电池的电极 [10]，反正，铅笔芯的主要成分是石墨，通过在纸上摩擦留下连续的痕迹。
铅笔绘制锂-空气电池的电极。图片来源：Energy Environ. Sci. [10]
不少研究者也紧随其后，用铅笔画出各种图案作为电极。比如，直接在纸上画个叉指电极，再利用水分子与纸（主要成分，纤维素）的相互作用，就可以用于湿度传感器 [7]。
铅笔绘制电容式传感器。图片来源：Electroanalysis [7]
还是Bruno Campos Janegitz课题组，用铅笔在纸片上画出的三电极系统，用于检测儿茶酚（又称邻苯二酚）的浓度 [8]。不过，整个过程纯手工制作，每个人写字、画画时力量不同，不知道这些传感器的可重复性如何。
铅笔绘制电极示意图及实物大小。图片来源：[8]
落叶、纸张和铅笔，这些廉价且易得的原材料，为快速、轻松地开发一次性电化学传感器提供了无限可能。而且，它们还具有柔性和可穿戴等优点，为预算有限的实验室提供了一条有趣的研究途径，也可以为欠发达地区人民的生活带来更多便利。
制造低成本电化学传感器的不同方法。图片来源：Curr. Opin. Electrochem. [9]
参考文献：
[1] Science NEWS: Ig Nobel Prizes honor zombie spiders, rock-licking scientists, and a clever commode
https://www.science.org/content/article/ig-nobel-prizes-honor-zombie-spiders-rock-licking-scientists-and-clever-commode?utm_medium=ownedSocial&utm_source=Twitter&utm_campaign=NewsfromScience
[2] R. V. Blasques, et al., Green Fabrication and Analytical Application of Disposable Carbon Electrodes Made from Fallen Tree Leaves Using a CO2 Laser. ACS Sustainable Chem. Eng. 2024 , 12, 3061–3072. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c06526
[3] Laser printing on fallen tree leaves produces sensors for medical and laboratory use
https://agencia.fapesp.br/laser-printing-on-fallen-tree-leaves-produces-sensors-for-medical-and-laboratory-use/51593
[4] S. Zhou, et al., Wearable electrochemical sensors for plant small-molecule detection. Trends Plant Sci. 2024 , 29, 219-231. DOI: 10.1016/j.tplants.2023.11.013
[5] J. A. Barbosa, et al., Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022 , 14, 20, 22989–23001. DOI: 10.1021/acsami.2c02943
[6] S. Cinti, et al., Preparation of paper-based devices for reagentless electrochemical (bio)sensor strips. Nat. Protoc. 2019 , 14, 2437–2451. DOI: 10.1038/s41596-019-0186-y
[7] S. Kanaparthi, Pencil-drawn Paper-based Non-invasive and Wearable Capacitive Respiration Sensor. Electroanalysis 2017 , 29, 2680-2684. DOI: 10.1002/elan.201700438
[8] L. O. Orzari, et al., Disposable electrode obtained by pencil drawing on corrugated fiberboard substrate. Sensors Actuat. B-Chem. 2018 , 264, 20-26. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.162
[9] J. S. Stefano, et al., Different approaches for fabrication of low-cost electrochemical sensors. Curr. Opin. Electrochem. 2022 , 32, 100893. DOI: 10.1016/j.coelec.2021.100893
[10] Y. Wang & H. Zhou, To draw an air electrode of a Li–air battery by pencil. Energy Environ. Sci. 2011 , 4, 1704-1707. DOI: 10.1039/C0EE00759E
（本文由小希 供稿）
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