I sensori non lineari sono realizzati con materiali semiconduttivi, generalmente ossidi metallici. La variazione di resistenza in funzione della temperatura è fortemente non lineare legata a particolari equazioni tipiche del materiale utilizzato per la realizzazione del sensore.
Tra i sensori non lineari, i più comuni sono i resistori fortemente sensibili alla temperatura (Termistori), tra i quali i più comuni sono i sensori NTC (Negative Temperature Coefficient) ed i sensori PTC (Positive Temperature Coefficient).
I sensori di temperatura non lineari sono utilizzati in settori nei quali, essendo il campo di misura della temperatura generalmente ridotto, sia necessario apprezzare con elevata sensibilità e semplicità anche modeste variazioni di temperatura. Esempi tipici sono i settori legati al condizionamento, refrigerazione, riscaldamento, controllo dei processi chimici o alimentari.
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