传感器概述

第一章概述1.1绪论1.1.1传感器定义与组成1.1.1.1定义：Transducer/Sensor；发送器；传送器；变送器等国家标准（GB7665-87）：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置——#测量装置；#输入量是某一被测量（物理、化学、生物等）；#输出量是某种物理量（气、光、电等），主要是电物理量；#输出输入有对应关系，并应有一定的精度1.1.1.2组成：一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

1.1.2传感器的作用电五官基础科学、军事、宇航、工业、农业、环保、民用电器、资源开发、海洋探测、医学诊断、生物工程。

例：宇宙观察、基本粒子、导弹制导寻的、自动生产线、机器人、汽车、复印机、空调、洗衣机。

1.1.3传感器的分类与一般要求：1.1.3.1传感器的分类1.1.3.1.1按工作机理：物理型；化学型；生物型等1.1.3.1.1.1物理型按构成原理：结构型；物性型结构型：是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用物理学中场的定律构成的，动力场的运动定律、电磁场的电磁定律等。

必须依靠精密设计的结构予以保证。

如：磁隙型电感传感器、电动式传感器等。

物性型：是利用物质定律构成的，利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量。

虎克定律、欧姆定律等。

主要依靠材料本身的效应来感应信息。

如：光电管（外光电效应）、压电晶体（正压电效应）、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变化的传感器。

按能量转换情况：能量控制型、能量转换型能量控制型：在信息变化过程中，其能量需要外电源供给。

如：电阻、电感、电容、基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等能量转换型：主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。

如：压电效应、热电效应、光电动势效应等。

按物理原理：电参量式（包括电阻式、电感式、电容式等三个基本形式）、磁电式（包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式、光电式（包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等）、气电式、热电式、波式（包括超声波式微波式等）、射线式、半导体式、其它原理等。

可以是两种以上原理的复合形式。

1.1.3.1.1.2化学型利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。

最常用的是离子选择性电极。

核心部分是离子选择性敏感膜。

广泛应用于化学分析、化学工业的在线检测及环保中。

1.1.3.1.1.3生物型利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。

由两大部分组成：功能识别物质，酶、抗体、抗原、微生物、细胞等；电、光信号转换装置，最常用的是电极。

最大的特点是能在分子水平上识别物质，应用于化学工业检测和医学诊断。

1.1.3.1.2按用途（输入信号）：位移、速度、加速度、力、压力、流速、振动、温度、光度、湿度、粘度、浓度等1.1.3.1.3按输出信号：模拟式、数字式1.1.3.2一般要求可靠性；静态精度；动态性能；量程；抗干扰能力；通用性；轮廓尺寸；成本；能耗；对被测对象的影响等1.1.4传感器技术发展1.1.4.1改善传感器性能的技术途径：差动技术：显著地减少温度变化、电源波动、外界干扰的影响，抵消共模误差，减小非线性误差。

平均技术：误差δΣ=±δ/补偿修正技术：本身特性修正、工作条件或外界环境修正，可以通过硬件或软件实现。

屏蔽、隔离与干扰抑制：稳定性处理：时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化温度老化、机械老化、交流稳磁处理、电气元件的老化筛选。

1.1.4.2发展趋势一．开发新型传感器：（新原理新现象、新效应）采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器。

他们之间是互相联系的。

二．开发新材料半导体敏感材料：硅材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）；金属和非金属合成的化合物半导体材料；陶瓷材料：绝缘陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷、半导体陶瓷。

磁性材料：非晶化、薄膜化。

智能材料：生物体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。

三．采用新工艺集成技术、微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术微细加工技术，又称为微机械加工技术。

是离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术。

平面电子工艺技术：传统的氧化、光刻、扩散、沉积等还有薄膜制作选择性的化学刻蚀技术：如：各向异性刻蚀技术固相键合工艺技术：将两个硅片直接键合为一体而不用中间粘接剂，也不需外加电场。

机械切断技术：在一个基片上的多个超小型传感器用分离切断技术分割开来，以免损伤和残存内应力。

四．集成化、多功能化集成化：同一功能的多元件并列化：如CCD多功能一体化：将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组成一个器件。

多功能化：一个传感器可以同时测量多个参数。

如：美国的单片硅多维力传感器（3个线速度、3个离心加速度（角速度）、3个角加速度）；温、气、湿三功能陶瓷传感器；多种离子或气体传感器等。

数据融合技术。

五．智能化灵巧（Smart）传感器，具有：检测、修正、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器。

1.2传感器技术基础1.2.1自然定律与基础效应1.2.1.1自然定律守恒定律：能量、动量、电荷量守恒定律场的定律：动力场运动定律、电磁场感应定律、光电磁场干涉现象等。

如：电磁感应定律、电容式、光的直线传播定律、光的干涉、衍射现象、多普勒效应等。

统计法则：如热噪声温度传感器物质定律：物性型传感器。

热平衡现象传输现象量子现象1.2.1.2基本效应光电效应：光电子发射效应（外光电效应）：发射电流与阴极所吸收的光通量成正比；发射出的光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大。

光电管、光电倍增管光导效应（内光电效应）：本征光电导；杂质光电导。

光敏电阻光生伏特效应：势垒效应产生的光生伏特效应；体积光生伏特效应。

光敏二极管、光敏三极管、光电池、太阳电池电光效应：光学特性受外电场影响而发生变化的现象。

泡克耳斯（Pockels）效应：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象（称为电致双折射），两个主折射率之差与外电场强度成正比。

25*109Hz。

如：电光调制器、电光开关、光纤电压、电场传感器。

电光克尔（Kerr）效应：光照具有各向同性的透明物质，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成正常和异常两束出射光，⊿n=KE2,10-8s.如：观察放电现象、照相机快门、光导纤维传感器。

光弹性效应：弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈双折射性质。

如：压力、振动、声响传感器。

光致发光效应：外电场及光的作用下发出冷光（荧光、磷光），在外电场的作用下发光的现象。

如：发光二极管、半导体激光器。

磁光效应：置于外磁场中的物体，在光和外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性、折射率）发生变化的现象。

包括：塞曼效应（应用于双频激光器中）、磁光法拉第效应、磁光克尔效应、科顿-蒙顿效应可用于光纤传感器法拉第（Faraday）效应：平面偏振光通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场（磁场方向与光传播方向平行）作用下的非旋光物质时，其偏振光面发生偏转的现象。

从物体端面射出的合成偏振光的偏转角度θ=KHl磁光克尔（Kerr）效应：平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面偏转角度随磁场强度而变化。

科顿-蒙顿(Cotton-Mouton)效应：当光线垂直于磁场的方向照射液体时，液体分子在外磁场的作用下形成一定规律的排列，而呈现双折射特性，即一束入射光变为寻常和非常两束出射光。

⊿n=C′λH2.电磁效应：磁场中的通电金属导体或半导体所产生的现象。

霍尔（Hall）效应：当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象。

位移、转速、加速度、压力、磁场、电流等磁阻效应：当通有电流的半导体或磁性金属薄片置于与电流垂直或平行的外磁场中，由于磁场的作用力加长了载流子运动的路径，使其电阻值随外磁场增强而加大的现象。

热电效应和热释电效应：热电效应（温差电效应）：正效应——塞贝克效应。

逆效应——珀耳帖效应和汤姆逊效应。

塞贝克效应（Seebeck）：两种不同的金属串联接成闭合回路，当它们的两个结点处于不同温度时，则在回路内有电流产生，亦即两结点间产生电动势。

热电偶温差发电器。

珀耳帖效应（Peltier）：当电流流过两种导体组成的闭合回路时一结点处变热（吸热），另一结点处变冷（放热），或当电流以不同的方向通过金属与半导体相接触处时，其接触处或发热或吸热的现象。

制冷器等。

汤姆逊效应（Thomson）：同一种金属组成闭合回路或一种半导体，保持回路两侧或半导体两端为一定温度差，并通以电流时，回路的温度转折处（或整个半导体）将产生比例于电流乘温差的吸热或放热的现象。

热释电效应：晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象。

红外探测器、温度传感器、热成像器件。

热磁效应：某些具有磁化的匀质金属两端由于温度差形成热流，在与垂直热流方向的磁场作用下所产生的物理现象（电场）。

所产生的电场与热流及磁场方向相垂直称为横向能斯脱（Nernst）。

若与热流方向一致则称为纵向能斯脱效应。

红外探测器等。

压电效应：压电效应是可逆的，它是正压电效应和逆压电效应的总称。

习惯上常把正压电效应称为压电效应。

正压电效应：当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态的现象。

力、压力、振动、加速度、拾声器、电唱头。

逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随着消失的现象。

超声波发生器、声发射传感器、压电扬声器、晶体振荡器。

利用正、逆压电效应可制成压电超声波探头、压电声表面波传感器、压电陀螺。

电致伸缩效应：电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关称为电致伸缩效应，若与电场方向有关则称为逆压电效应。

压阻效应：半导体材料受外力或应力作用时，其电阻率发生变化的现象。

压力、加速度、重量、应力、拉力、流量、真空度。

压磁效应：时磁致伸缩的逆效应。

磁致伸缩效应：某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体在外磁场作用下产生机械变形的现象。

电声器件、或超声波发生器、光纤传感器长度调制。

压磁效应：磁致伸缩材料在外力（或应力、应变）作用下，引起内部发生形变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度和磁导率发生相应的变化，这种由于应力使磁性材料磁性质变化的现象称为压磁效应。