傳感器技術案例教程

樊尚春教授編排2019-06“十三五”國家重點出版物出版規劃項目，卓越工程能力培養與工程教育專業認證系列規劃教材，機械工業出版社，2020.01傳感器技術案例教程

第1章緒論第1章緒論1.1傳感器的作用實例分析1.2傳感器的分類

1.3傳感器技術的特點1.4傳感器技術的發展

1.5學習建議

1.1傳感器的作用實例分析實例1：電位器式真空膜盒壓力傳感器(potentiometerpressuretransducer)電位器式真空膜盒壓力傳感器真空膜盒壓力敏感元件壓力

→

膜盒位移

→

電位器電刷（通過傳動機構）→

輸出電壓(第1章緒論)

1.1傳感器的作用實例分析實例1：電位器式真空膜盒壓力傳感器(potentiometerpressuretransducer)電位器式真空膜盒壓力傳感器實物圖真空膜盒壓力敏感元件(第1章緒論)

1.1傳感器的作用實例分析實例2：諧振筒式壓力傳感器(resonantcylinderpressuretransducer)諧振筒式壓力傳感器諧振筒壓力敏感元件(第1章緒論)

壓力

→

諧振筒應力

→

諧振筒等效剛度

→

諧振筒固有頻率

1.1傳感器的作用實例分析實例2：諧振筒式壓力傳感器(resonantcylinderpressuretransducer)諧振筒式壓力傳感器實物圖諧振筒壓力敏感元件(第1章緒論)

1.1傳感器的作用實例分析實例3：熱激勵硅微結構諧振式壓力傳感器一次敏感元件：方形平膜片，直接感受壓力，將壓力轉換為膜片應變與應力；熱激勵微結構諧振式壓力傳感器的敏感結構示意圖(第1章緒論)

二次敏感元件：硅梁，制作于膜片上表面，感受膜片應力，并轉換為諧振頻率變化，測量壓力

1.1傳感器的作用實例分析實例3：熱激勵硅微結構諧振式壓力傳感器硅微結構諧振式壓力傳感器敏感結構實物圖感元件(第1章緒論)

熱激勵微結構諧振式壓力傳感器的敏感結構示意圖

1.1傳感器的作用實例分析實例4：石墨烯諧振式壓力傳感器新型石墨烯諧振式壓力傳感器原型示意單晶硅方形平膜片為一次敏感元件，直接感受壓力；方平膜片上的雙端固支石墨烯梁諧振子(DEGB：DoubleEndedclampedGrapheneBeamresonator)為二次諧振敏感元件間接感受壓力(第1章緒論)

1.1傳感器的作用實例分析復合敏感差動檢測石墨烯諧振式壓力傳感器原理A類兩個DEGB：分別設置于壓力最敏感區和弱敏感區；(第1章緒論)

1.1傳感器的作用實例分析復合敏感差動檢測石墨烯諧振式壓力傳感器原理A類兩個DEGB：分別設置于壓力最敏感區和弱敏感區；(第1章緒論)

B類兩個DEGB：分別設置于壓力正向最敏感區和負向最敏感區；

溫度對兩個DEGB諧振頻率影響規律相同，差動檢測

1.1傳感器的作用實例分析實例1：電位器式真空膜盒壓力傳感器(potentiometerpressuretransducer)實例2：諧振筒式壓力傳感器(resonantcylinderpressuretransducer)實例3：熱激勵硅微結構諧振式壓力傳感器實例4：石墨烯諧振式壓力傳感器以上四個實例，充分說明傳感器直接的作用與功能就是測量。(第1章緒論)

1.1傳感器的作用實例分析國家標準GB/T7665-2005對傳感器(transducer/sensor)定義：能感受被測量并按一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件(sensingelement)，指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件(transducingelement)，指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分傳感器基本結構組成示意圖(第1章緒論)

1.2傳感器的分類1.2.1按輸出信號的類型分類

1.2.2按傳感器能量源分類1.2.3按被測量分類1.2.4按工作原理分類(第1章緒論)

1.2傳感器的分類1.2.1按輸出信號的類型分類

1.2.2按傳感器能量源分類1.2.3按被測量分類1.2.4按工作原理分類(第1章緒論)

分為三類：模擬式、數字式、開關型(二值型)；模擬式傳感器：輸出連續電信號；數字式傳感器：輸出數字信號；開關型傳感器：又稱二值型傳感器，即只輸出“1”和“0”或開(ON)和關(OFF)兩個值，反映被測對象工作狀態

1.2傳感器的分類1.2.1按輸出信號的類型分類

1.2.2按傳感器能量源分類1.2.3按被測量分類1.2.4按工作原理分類(第1章緒論)

分為兩類：無源型和有源型；無源型傳感器：無需外加電源，將被測量的相關能量直接轉換成電量輸出，又稱能量轉換器，如熱電式、磁電感應式、壓電式、光電式等傳感器；有源型傳感器：需外加電源才能輸出電信號，又稱能量控制型，如應變式、壓阻式、電容式、電感式、霍爾式等傳感器

1.2傳感器的分類1.2.1按輸出信號的類型分類

1.2.2按傳感器能量源分類1.2.3按被測量分類1.2.4按工作原理分類(第1章緒論)

按傳感器被測量，即輸入信號分類，便于表示傳感器功能，也便于用戶使用；傳感器分為溫度、壓力、流量、物位、質量、位移、速度、加速度、角位移、轉速、力、力矩、濕度、濃度等傳感器；廠家和用戶習慣于這種分類方法

1.2傳感器的分類1.2.1按輸出信號的類型分類

1.2.2按傳感器能量源分類1.2.3按被測量分類1.2.4按工作原理分類(第1章緒論)

分為三類：物理型、化學型和生物型三大類

傳感器按照工作原理的分類

1.2傳感器的分類1.2.1按輸出信號的類型分類

1.2.2按傳感器能量源分類1.2.3按被測量分類1.2.4按工作原理分類(第1章緒論)

本課程重點討論物理型傳感器物理型傳感器

傳感器按照工作原理的分類

1.3傳感器技術的特點1.涉及多學科與技術；2.品種繁多；3.應用領域十分廣泛；4.總體要求性能優良，環境適應性好；5.應用要求千差萬別；6.在信息技術中發展緩慢，但生命力強大

(第1章緒論)

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

探索新機理和新效應敏感功能材料，研制新原理傳感器；量子力學為納米技術、激光、大規模集成電路發展提供理論基礎，利用量子效應研制具有敏感某種被測量的量子器件，如共振隧道二級管、量子阱激光器和量子干涉部件等，具有高速(比電子敏感器件速度提高1000倍)、低耗(低于電子敏感器件能耗千分之一)、高效、高集成度、經濟、可靠等優點

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

仿生傳感器也是重要發展方向；引起傳感器技術新的技術革命，把傳感器技術推向更高發展階段

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

(1)半導體硅材料：單晶硅、多晶硅、非晶硅、硅藍寶石等，具有兼容的優良電學特性和機械特性；采用硅材料研制多種類型硅微結構傳感器和集成傳感器；(2)石英晶體材料：壓電石英晶體和熔凝石英晶體，有極高機械品質因數和溫度穩定性；石英晶體具有良好壓電特性，可研制多種微小型高精密傳感器；(3)功能陶瓷材料：精密陶瓷材料特殊功能可實現一些新型傳感器，如氣體傳感器；此外，化合物半導體、復合材料、薄膜材料、石墨烯材料、形狀記憶合金材料等，也有很好發展前景

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

小型化、微型化，為傳感器應用帶來方便；微機械加工工藝敏感結構尺寸達到微米、亞微米，甚至納米級，且便于批量生產，制造微型化、性價比高的傳感器；如微型加速度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等，已廣泛用于汽車電子系統，促進了汽車工業快速發展

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

微機械加工工藝主要包括：(1)平面加工技術：光刻、擴散、沉積、氧化、濺射等；(2)選擇性三維刻蝕技術：各向異性腐蝕技術、外延技術、犧牲層技術、LIGA技術等；(3)固相鍵合技術：如Si-Si鍵合，實現硅一體化結構；(4)機械切割技術；(5)整體封裝技術：將敏感芯片封裝于一個合適腔體內，隔離外界干擾，使傳感器工作于較理想狀態

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展(第1章緒論)

一種精巧復合敏感結構（基于微機械加工工藝）

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

微傳感器敏感元件尺寸一般為微米級，由微機械加工技術制做層與層有很大差別的三維微結構，包括可活動膜片、懸臂梁、凹槽、孔隙、錐體等；這些微結構與薄膜和集成電路結合，已成功制造多種微傳感器乃至多功能敏感元陣列(如光電探測器等)，實現壓力、力、加速度、角速率、應力、應變、溫度、流量、成像、磁場、濕度、pH值、氣體成份、離子和分子濃度以及生物傳感器等

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

傳感器與IC集成制造技術以及多參量傳感器集成制造技術，縮小了體積、提高了抗干擾能力；采用敏感結構和信號處理電路于一體的單芯片集成技術，避免多芯片組裝管腳引線的寄生效應，改善器件性能；發揮了IC技術批量化，低成本生產優勢

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展一個傳感器實現多個參數測量，在氣體測量尤為突出

一種多功能氣體傳感器（6個電極，同時測4種氣體）

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

將傳感器獲取信息功能與專用微處理器信息處理功能結合，同時有診斷、數字雙向通信等新功能；微處理器的計算和邏輯功能，便于對數據濾波、變換、校正補償、存儲記憶、輸出標準化等；同時實現自診斷、自檢測、自校驗以及通信與控制等功能；通常由多個模塊組成

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

該智能化三維圖像傳感器由光電變換部分(圖像敏感單元)、信號傳送部分、存儲部分、運算部分、電源與驅動部分等組成一種智能化圖像傳感器

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

1.多傳感器集成與融合2.傳感器網絡化3.傳感器在物聯網中應用RFID射頻標簽

1.4傳感器技術的發展1.4.1新原理、新材料和新工藝的發展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的發展1.4.3多傳感器融合與網絡化的發展1.4.4量子傳感技術的快速發展(第1章緒論)

有多項諾貝爾獎形成重要理論基礎，促進新傳感器、新儀器，特別是超高靈敏測量科學儀器發展；新傳感器、新儀器，提升人類探測能力，獲取新實驗數據、揭示新自然現象、發現新科學規律；必將有重大發展

1.5學習建議1.5.1熟悉教材特點1.5.2注重學習效果1.5.3把握學習重點(第1章緒論)

1.緊密結合傳感器涉及多學科領域、品種繁多、應用領域廣的特點；2.把握好：一條主線、兩個基礎、三個重點、多個獨立模塊；3.通過“典型案例”掌握傳感技術

1.5學習建議1.5.1熟悉教材特點(第1章緒論)

1.5學習建