第三章傳感器技術(shù)§3-1基礎(chǔ)知識(shí)一、定義：傳感器是一種能把特定的被測(cè)信息（物理、化學(xué)、生物量）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。傳感器技術(shù)——~原理~器件設(shè)計(jì)~開發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù)

工程學(xué)：多學(xué)科（敏感材料學(xué)、微細(xì)加工、傳感器技術(shù)）交叉滲透。傳感器結(jié)構(gòu)及分類1、構(gòu)成被測(cè)量有用非電量有用電量結(jié)構(gòu)特性：有源①自源型（熱電偶、壓電器件）無源②激勵(lì)源外加輔助能源。電、磁、光、核等。磁電、霍爾、紅外測(cè)距等。無源③外源型變換電路（俗稱信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換）電橋、放大器、調(diào)制器等。4類結(jié)構(gòu)④補(bǔ)償型用于排除環(huán)境干擾（一只環(huán)境另一只被測(cè)量）應(yīng)變壓力、固態(tài)電阻⑤差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型。與補(bǔ)償型完全相同；轉(zhuǎn)換元件按照同一被測(cè)量，作反向轉(zhuǎn)換，消除干擾因素⑥不同傳感器補(bǔ)償。熱偶補(bǔ)償、壓電補(bǔ)償片上的溫度和加速度干擾補(bǔ)償。⑦復(fù)合型。以上若干種復(fù)合。發(fā)展趨勢(shì)1、傳感器需求廣泛、普及高新（尖端技術(shù)）需求最勝、信息處理、各種檢測(cè)、工業(yè)控制、環(huán)境污染、光能應(yīng)用。2、開發(fā)新型傳感器。新原理、高靈敏、生化類3、集成化、多功能：利用固態(tài)功能介質(zhì)（單晶硅、電解質(zhì)、強(qiáng)磁體）；多參數(shù)、立體（三維、多維）、功能芯片：傳感器+放大器+PC4、智能化：含檢測(cè)轉(zhuǎn)換、記憶、存儲(chǔ)、分析處理、自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)5、生物器官傳感器（仿生傳感器）：利用仿生學(xué)原理。如：狗嗅覺（靈敏度為人的106

倍），蛇的接近覺（感知0.001℃）。

傳感器的數(shù)學(xué)模型（各種參數(shù)模型為主）1、靜態(tài)模型代數(shù)方程：反映傳感器的靜態(tài)特性其中：xi輸入y輸出量

a0：零位輸出

a1：傳感器靈敏度

ak(2~n)

：非線性系數(shù)條件：靜態(tài)條件下x1）線性2）二階n階非線性

3）特定指數(shù)、對(duì)數(shù)型

2、動(dòng)態(tài)模型（反映傳感器的動(dòng)態(tài)特性）①微分方程

一般傳感器b0≠0，b1~m=0②傳遞函數(shù)（常用）可查產(chǎn)品手冊(cè)四、傳感器的特性指標(biāo)1、靜態(tài)指標(biāo)①線性度（非線性，用相對(duì)誤差表示）

：輸出平均值與擬合直線間的最大偏差：（FullScan）理論滿量程輸出值③重復(fù)性a：置信系數(shù)，取2：置反概率為95.4%；取3：置反概率位99.73%

計(jì)算：ⅰ）貝賽斯公式法

ⅱ）極差法極差系數(shù)；d2:1.41;d10：3.18④靈敏度⑤分辨率x最小變化量⑥靜態(tài)誤差（精度指標(biāo)）⑦閾值即傳感器的死區(qū)（非線性死區(qū)）⑧穩(wěn)定性（標(biāo)定有效期如一級(jí)溫度計(jì)，半年；二級(jí)，一年）⑨漂移五、傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)

1、標(biāo)定：利用基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)度（按標(biāo)定有效期）校準(zhǔn)：在使用和存儲(chǔ)后進(jìn)行性能復(fù)測(cè)2、標(biāo)定系統(tǒng)：被測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器（活塞式壓力沖、測(cè)力器、恒流源、標(biāo)準(zhǔn)砝碼）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)（設(shè)備器件）信號(hào)調(diào)壓器及顯示記錄系統(tǒng)標(biāo)定權(quán)限3、力值傳遞系統(tǒng)為例

允許誤差（標(biāo)定）單位部門

±0.001%國家基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)基準(zhǔn)器（中國計(jì)量科學(xué)研究院）

±0.01%一等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)一等標(biāo)準(zhǔn)器（國防科委、部省一級(jí)計(jì)量站）

±0.1%二等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)二等標(biāo)準(zhǔn)器（市、企業(yè)計(jì)量站）

±0.3~0.5%三等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)三等標(biāo)準(zhǔn)器

±1%工程測(cè)試測(cè)試用力傳感器4、靜態(tài)動(dòng)態(tài)標(biāo)定（國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)84年）§3-2常用傳感器（不涉及分析與綜合）（△R△C△L）（△I△V△Q）外源激勵(lì)自源或激勵(lì)源一、電阻式傳感器（電阻應(yīng)變式、熱電阻、壓阻、光阻）1、熱電阻（金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)）測(cè)量溫度變化的轉(zhuǎn)換元件，用于溫度檢測(cè)補(bǔ)償傳感器等、廣泛應(yīng)用

b）銅電阻線性-50~150℃Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）C)銦電阻（低溫?zé)犭娮瑁?-269~-258℃靈敏度高，重現(xiàn)性差錳電阻:-271~-210℃靈敏度高

②

熱敏電阻（半導(dǎo)體熱電阻）靈敏度，A大，體積小（響應(yīng)快）a)、NTC負(fù)溫度系數(shù)A為負(fù)-100~300℃b)、PTC高溫度系數(shù)A為正c)、CTR臨界溫度系數(shù)d)、封裝及用途家用電器，醫(yī)療衛(wèi)生，輔助測(cè)量③PN結(jié)（激勵(lì)源）-20~+50℃AD590~AD592b)勃底特茲明

C：材加工常數(shù)Km:應(yīng)變靈敏系數(shù)（基本為線性的）2）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型a）組成及基本形狀（體積較小）絲狀敏感柵電阻>100Ω

箔頭材料：各種金屬、合金基底引線蓋層粘結(jié)劑b)分類（較多）材料康銅（Cu55Ni45）敏感柵結(jié)構(gòu)：單軸、多軸、應(yīng)變片鎳鉻（Ni80Cr20）基底材料：紙質(zhì)、膠基、金屬基卡碼合金制柵工藝鉑鉑銀合金（Pt0、Ir20）使用溫度低（-30℃以下）、常（-30℃~+60℃

）中高（+350℃以上）c）溫度效應(yīng)原因：敏感柵材料的影響

K：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（取Km):試件與敏感柵的材料的線膨脹系數(shù)熱補(bǔ)償4）應(yīng)變計(jì)式傳感器（應(yīng)變儀）a、二、電容傳感器結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、非接觸測(cè)量、抗高溫、輻射、振動(dòng)等。1）原理及結(jié)構(gòu)a)介電常數(shù)(相對(duì)）真空介電常數(shù)（絕對(duì)）b)變極距：差動(dòng)式變極距c)變面積d）變介質(zhì)2）應(yīng)用及存在問題特點(diǎn)：分辨力極高，寬范圍，動(dòng)態(tài)特性好，過載力強(qiáng)。數(shù)字測(cè)量有應(yīng)用前景（微信息化）數(shù)字卡尺（測(cè)位移10μm0~150mm）物位測(cè)量（腐蝕、輻射性）存在問題：邊緣效應(yīng)、靜電引力、寄生電容、溫度影響三、變磁阻式傳感器1、原理與結(jié)構(gòu)a、L=W2/Rn

L=W2μ0μeS/lRc:線圈內(nèi)阻（銅耗電阻）Re：鐵心渦流損耗Rh：磁滯損耗S：磁通載面積μ0真空磁導(dǎo)率μe磁場(chǎng)磁導(dǎo)率b)結(jié)構(gòu)變氣隙式變面積式改變S，銜鐵水平移動(dòng)螺管式差動(dòng)式自感互感電渦流式壓磁式2、自感式磁動(dòng)傳感器（可用于精細(xì)測(cè)量，改善非線性）a、

b)電橋電路輸出端對(duì)稱變壓器電橋變壓器次級(jí)作為平衡臂電橋電橋開路時(shí)全線性，應(yīng)用廣泛

R：Z1、Z2的內(nèi)阻激勵(lì)電源：調(diào)頻電路，用以產(chǎn)生100KHz交流電源c）特點(diǎn)感應(yīng)電勢(shì)大、不需要按放大電路，測(cè)量范圍寬，精度較高缺點(diǎn)：非線性（不開路時(shí)），溫度影響，激勵(lì)電源穩(wěn)定性要求3、應(yīng)用a)位移尺寸測(cè)量b)壓力c)力，力矩d)振動(dòng)四、能量轉(zhuǎn)換型傳感器：自源、激勵(lì)源將待測(cè)量動(dòng)量（位移、壓力等）傳感器感生電動(dòng)勢(shì)（微電流等）1、自源型1）磁電式：結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)應(yīng)用永久磁鐵、運(yùn)動(dòng)線圈可雙向轉(zhuǎn)換，功率大測(cè)振誤差補(bǔ)償（溫度，非線性）簡單零位及性能穩(wěn)定速度磁場(chǎng)穩(wěn)定性頻帶10~1KHz力發(fā)生器（逆向）2）壓電式結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)應(yīng)用離子型晶體（石英、鈦酸鋇）靈敏度高、分辨率高振動(dòng)（占80%）壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)線性好、壽命長測(cè)力（主要）機(jī)電耦合系數(shù)、絕緣電阻體積小、剛度好（沖擊、振動(dòng)加速度、人血壓計(jì)、微位移計(jì)）居里點(diǎn)近測(cè)、遙測(cè)3）熱電式

K型、U型最廣泛、工業(yè)使用測(cè)溫

U型需溫度補(bǔ)償及導(dǎo)線補(bǔ)償（管道流量熱電繼電器、氣體分析儀）熱電偶EAB（T0）實(shí)現(xiàn)方法a)直接法：利用熱電阻或PN結(jié)產(chǎn)生與熱電偶相同的熱電勢(shì)（電橋、恒流源）b)間接法:測(cè)量T0，EAB（T0）=校正系數(shù)*T0c)冰點(diǎn)補(bǔ)償（試驗(yàn)用）2、激勵(lì)源式（光電、紅外、激光、微波）1）光電式結(jié)構(gòu)兩種光通量生成方式X1：待測(cè)引起的光源的光通變化X2：待測(cè)引起的光源的調(diào)制光通變化a、光源：按光波長分類（光譜傳感器）光譜儀紅外光源：（白熾燈+濾光片）氣體放電光源：（原子輻射光譜不同線光譜和帶光譜）碳弧、低（高）水銀燈、納弧、氙弧燈發(fā)光二極管（發(fā)展快、前途好）低功耗、高亮度新型光源（國家、省攻關(guān)）紅外、可見光波段（400~1000nm，紅外800~1800）激光CO2~（λ：10.6μm)光雷達(dá)

Ar+~(0.516μm)Na:YAG固體~

光源特性：輻射特性：相于性（白熾燈：非相于源；激光器：相干源）光譜特性：輻射中心的波長λ

輻射光譜寬：△λ

光電特性：激勵(lì)的電與光輻射關(guān)系（雙向均可）噪聲電平：散粒噪聲、光子性產(chǎn)生、平均觀測(cè)、在一定時(shí)間間隔光源所發(fā)出N個(gè)光子，在連續(xù)時(shí)間內(nèi)實(shí)際發(fā)射的光子數(shù)有變化b)光電傳感器外光：光電管，光電倍增管內(nèi)光：半導(dǎo)體器件，光敏電阻，光敏二極管（紅外接收管），光電池2）光電傳感器特性a、光照特性b.光譜特性（光譜響應(yīng)）指相對(duì)靈敏度k與入射光波長λ之間的關(guān)系c、響應(yīng)時(shí)間（動(dòng)態(tài)特性）對(duì)于調(diào)制型光電傳感器;f上限≤響應(yīng)時(shí)間-1d、其他。峰值探測(cè)率（最初用于紅外）—暗光源描述NEP

溫度特性伏安特性（輸出）3)新型傳感器a、SPD：光位置傳感器單維，二維，三維

機(jī)械加工中定位

運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)器人視覺系統(tǒng)

交通監(jiān)測(cè)3)新型傳感器b、CCD:電荷耦合器（chargecoupled～）

CTD：電荷轉(zhuǎn)移器（chargetransfer~）二者為固態(tài)圖像傳感器在硅襯底上生成120mm的SiO2層→Al沉積形成MOS，電容式轉(zhuǎn)移器件線性CCD圖像傳感器：兩列結(jié)構(gòu)一列為光敏主陣列一列為CCD

線性CCD圖像傳感器：兩列結(jié)構(gòu)一列為光敏主陣列并行之間有轉(zhuǎn)移柵一列為CCD

特點(diǎn)：簡單，高空間分辨率（宇宙探測(cè)攝像等）面型CCD圖像傳感器：多陣列，掃描裝置按感光區(qū)，信號(hào)存儲(chǔ)，輸出轉(zhuǎn)移分有三大類

i)行掃描發(fā)生器，圖像模糊

ii)存儲(chǔ)區(qū)串行輸出:簡單，轉(zhuǎn)移單元可富集（集成加工）分辨率1024x102420萬300萬

iii)感光+輸出轉(zhuǎn)移：圖像最好，攝像頭

三.微流控分析及微流空芯片傳感器1、微流倉分析系統(tǒng)（μTAS，Microtoldanalysissysterm）

90年代瑞士：Manz,Wiodmen在微機(jī)電加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展。特點(diǎn)：芯片lab-on-a-chipLoc→微流芯片技術(shù)microfludicchips分析傳感器→分析實(shí)驗(yàn)室→芯片上→μfc+μc高度學(xué)科交叉：微加工技術(shù)+生命科學(xué)+光學(xué)，材料學(xué)等+計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在微米道路上，研究，傳導(dǎo)，吹附，微區(qū)反應(yīng)應(yīng)用，分析領(lǐng)域2、發(fā)展及趨勢(shì)1、瑞士：毛細(xì)管電脈90年代初2、94年，（美）橡樹嶺同學(xué)實(shí)驗(yàn)室，Ramsay在毛細(xì)管電脈上提高性能及應(yīng)用3、荷蘭，Enchede,首屆μTAS大會(huì)（94年）（95年）加州大學(xué)，Berkeley分析，實(shí)現(xiàn)高速DNA測(cè)序首爾μTAS企業(yè)，calipes,Tech…公司（95.9）美（哈佛大學(xué)），Whilesides研究化（96年）聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）+電脈2、發(fā)展及趨勢(shì)4、專利之戰(zhàn)（98年）99年慈善（Agelent）與Caliper聯(lián)合，微分μfc2001核酸蛋白質(zhì)芯片（5～6中芯片）

2002DNA芯片→市場(chǎng)（成功用于人類基因組計(jì)劃）

2000，5第四屆μTAS會(huì)議在荷舉行

2001，10美（Monterey）舉行

2001英國皇家化學(xué)會(huì)主編《Lab-on-a-cjip》創(chuàng)刊2、發(fā)展及趨勢(shì)5、趨勢(shì)微陣列化毛細(xì)管分離→L-L萃取過濾，無膜擴(kuò)散，多種分離手段單通道→多感單行檢測(cè)，達(dá)384道檢測(cè)手段多樣化：單分子，單細(xì)胞微流空分析的計(jì)算機(jī)模擬及理論發(fā)展產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程成果：北大，浙大，等2、發(fā)展及趨勢(shì)6、加工技術(shù)芯片材料：硅芯片，玻璃，石英，高聚物，復(fù)合材料加工技術(shù)：光刻（蝕刻），高聚合物（模塑，激光熱蝕），軟光刻。鍵合微流體驅(qū)動(dòng)與控制：微泵（熱氣動(dòng)，壓電，靜電），微閥，進(jìn)樣系統(tǒng)2、發(fā)展與趨勢(shì)7、微流控芯片傳感器熒光，激光～（LIFLaserinducedfluorescence）吸收光化學(xué)發(fā)光電化學(xué)檢測(cè)質(zhì)譜檢測(cè)SenacoAS100聲傳感器

SenacoAS100聲傳感器檢測(cè)從設(shè)備（聲傳感器）和移動(dòng)物料之間高頻聲波的變化。它檢測(cè)和對(duì)固體流動(dòng)到受阻的變化立刻作出反應(yīng)，物料有沒有或設(shè)備故障，如過濾器袋破裂，這就允許操作員提早采取預(yù)防措施和避免損失嚴(yán)重的事故

BB系列波紋管式

MicroSAM，西門子最新推出的在線過程氣相色譜儀，它為工業(yè)應(yīng)用帶來了一種嶄新的外形設(shè)計(jì)-小巧。結(jié)合現(xiàn)代硅顯微機(jī)械加工技術(shù)和信譽(yù)卓著的西門子MaxumeditionⅡ型氣相色譜儀的EZCHrom軟件，使Mic