Сенсоры на основе термо-ЭДС.

Широко известным является применение для измерения температуры термопар – электрически соединенных между собой проводников из двух разных материалов. Если места их электрического контакта (" спаи") находятся при разных температурах, то между ними возникает разность потенциалов, которую называют " термо-ЭДС". Соответствующее физическое явление по имени первооткрывателя называют эффектом Зеебека. Его физической причиной служит то, что в области " горячего" контакта носители электрического заряда (электроны или " дырки") имеют более высокие скорости теплового движения. Поэтому диффузионный поток носителей от " горячего" спая к " холодному" больше, чем диффузионный поток от " холодного" спая к " горячему". В полупроводниках к этой причине добавляется еще и то, что концентрация носителей заряда у " горячего" спая тоже заметно выше. В результате носители заряда скапливаются возле " холодного" спая, и возникает разность потенциалов.

На не слишком больших температурных интервалах термо-ЭДС в термопарах из металлов пропорциональна разности температур:

(9.1)

В этом выражении называют коэффициентом термо-ЭДС или коэффициентом Зеебека; и – это температуры " горячего" и " холодного" спаев соответственно. У термопар из металлических проводников значения коэффициента термо-ЭДС лежат в пределах , а у полупроводников могут быть и на порядок выше.

По величине термо-ЭДС всегда можно однозначно определить разность температур. Наиболее широкий диапазон измерения температуры (от – 270 С до 1300 С) обеспечивает термопара хромель/алюмель. К наиболее употребительным термопарам принадлежат медь/константан, нихром/ константан, железо/константан и т.д. Роль одного из проводников с успехом может выполнять, например, и легированный кремний, который имеет коэффициент термо-ЭДС даже более высокий, чем у металлов.

Чтобы уменьшить их собственную теплоёмкость, термопары делают проволочными или пленочными. Благодаря незначительной толщине и массе измерительный спай пленочной термопары может иметь очень малую собственную теплоемкость и поэтому достаточно малую тепловую инерционность (меньше 10 мс). С помощью пленочной термопары можно измерять температуру даже очень малых тел миллиметровых и субмиллиметровых размеров, к которым ее приклеивают.

Не следует думать, что термопары можно использовать только для измерения температуры. Например, в работе показано, что термоэлектрические свойства углеродных нанотрубок очень чувствительны к адсорбированным на них молекулам азота, аммиака, водорода, кислорода. И поэтому термопары из углеродных нанотрубок вполне могут служить для создания очень компактных датчиков концентрации молекул указанных газов.