次课 传感器概述.doc

河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 1次课 2 学时上次课复习：本次课题（或教材章节题目）：第2章 传感器概述2.1 传感器的组成和分类（教材）教学要求：掌握传感器的定义、组成及分类，了解传感器的作用、传感器的命名法、传感器的材料及制造以及传感器的发展趋势等。 重 点： 传感器的定义及分类难 点：传感器的定义以及分类教学手段及教具：多媒体课件讲授讲授内容及时间分配：2.1 传感器的组成和分类 1.传感器的定义、组成及分类 45分钟 2.传感器的作用、命名法 15分钟 3.传感器的材料及制造 15分钟 4.传感器的发展趋势 15分钟课后作业P39：2-1参考资料郁有文，常健等.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2003.金发庆.传感器技术及应用. 北京：机械工业出版社，2004. 注：本页为每次课教案首页1 传感器概述1.1 传感器的定义与作用1.1.1传感器的定义传感器(Transducer或Sensor）是将非电量(物理量或化学量）转换成与之有确定对应关系的电量或电参量的装置。依照中华人民共和国国家标准（GB/T7665-1987传感器通用术语）的规定，传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器也可称为换能器或检测器(现在多称为传感器）。这个定义包括三层含义：（1）传感器首先是一个测量装置，即以测量为目的的。发电机为人类提供电能时，它不是传感器；但为了测定调速系统转速时，它就是传感器了，因此，我们特地给它取名为测速发电机，或叫发电机测速传感器。（2）能在规定条件下感受外界信息。外界信息一般是指非电量，它不仅限于物理量而且包含化学量（特别是生物的感觉信息）。（3）能转换成与之有确定关系的电信息。传感器所测参量最终要转换成便于传输、处理、记录、显示的信息，目前的最佳信息就是电信息。1.1.2传感器的作用传感器的作用是将被测非电物理量转换成与其有一定关系的电信号，它获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的精度。它的主要作用有两个，其一是敏感作用，它感受被测量的变化，完成信号的拾取；其二是变换作用，完成非电量到电量的转换。1.2 传感器的组成与分类1.2.1传感器的组成传感器通常由敏感元件、转换元件和接口电路组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。传感器的组成如图1.1所示。图1.1传感器组成框图 传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。图1.2给出了传感器各种能量之间的转换关系，可见，被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。图1.2传感器的能量转换关系1.2.2传感器的分类常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。1.2.2.1按被测物理量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器及转矩传感器等。 常见的非电基本被测量和派生被测量如表11所示。这种分类方法的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。1.2.2.2按传感器工作原理分类 这种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类法的优点是对传感器的工作原理表达比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入研究分析。其缺点是不便于使用者根据用途选用。具体划分为： 1.电学式传感器 电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气体流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成的。电容式传感器主要用于压力、位移、液位、厚度及水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。电感式传感器主要用于位移、压力、力、振动及加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量而制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理而制成。电涡流式传感器主要用于位移及厚度等参数的测量。 2.磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。磁学式传感器主要用于位移、转矩等参数的测量。 3.光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。光电式传感器主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4.电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应及霍耳效应等原理而制成。电势型传感器主要用于温度、磁通量、电流、速度、光通量及热辐射等参数的测量。 5.电荷型传感器 电荷型传感器是利用压电效应原理而制成，主要用于力及加速度的测量。 6.半导体型传感器 半导体型传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应及半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7.谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成，主要用来测量压力。 8.电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成。根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱（极化）式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 1.3传感器的命名法国家标准(BG7666-87）传感器的命名法及代号对各种传感器规定了统一的命名法。根据这项标准，任意一种传感器的名称，应由主题词加3级修饰语构成：主题词“传感器”；第l级修饰语被测量；第2级修饰语转换原理，或特征描述(指出需要强调的传感器性能、特征、结构、材料等）；第3级修饰语主要技术指标(如量程、准确度、灵敏度等）。在有关传感器的统计表格、图书索引以及计算机信息处理等场合，传感器的名称应采用正序排列。例如：传感器，压力，应变式，l0kPa；传感器，位移，磁电式，l0mm。在产品说明书、学术论文、教材等叙述句中，传感器的名称习惯采用倒序法。例如：l0kpa，应变式，压力，传感器；l0mm，磁电式，位移，传感器。作实际应用中可用全称，也可用简称，即可以省略3级修饰语中的任一级。1.4 传感器的材料与制造1.4.1传感器的材料传感器是利用材料的固有特性或开发的二次功能特性，再经过精细加工而成的。传感器的材料和制造是传感器性能和质量的关键。 1.半导体材料 半导体材料对很多信息量具有敏感特性，又有成熟的集成电路工艺，易于实现多功能化、集成化和智能化，同时也是很好的基底材料，所以是理想的传感器材料。其中用得最多的硅材料。硅质量轻，密度为不锈钢的13，而强度却为不锈钢的3.5倍，具有高的强度密度比和高的刚度密度比，因此很适合制作传感器。 （1）单晶硅 （2）多晶硅 （3）非晶体硅 （4）硅蓝宝石 （5）化合物半导体 2.陶瓷材料 3.石英材料 4.金属氧化物及合金材料 （1） ZnO薄膜 （2）非晶态磁性合金材料 （3）形状记忆合金材料 5.无机材料 6.有机材料 7.生化材料 8.高分子敏感材料 9.合成材料 10.智能材料 智能材料应具备以下内涵：（l）能够检测并且可以识别外界或内部的刺激强度的感知功能； (2）能够响应外界变化的驱动功能； (3）能够按照设定的方式选择和控制响应； （4）反应比较灵敏、及时和精确； （5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。1.4.2传感器制造技术传感器制造技术主要是微系统技术，也叫微机械加工技术。不仅微系统的部件是用微机械加工制成，而且用这些部件组合成系统也是用微机械加工的，包括下列技术： 1部件及子系统加工 部件及子系统加工技术有如下几种： l）半导体加工技术； 2）硅微机械加工技术； 3）集成光学技术； 4）厚膜薄膜技术； 5）纳米技术； 6）X射线深层光刻电铸成型（LIGA）技术； 7）激光加工技术。 2系统的集成包括底盘、组装和连线加工 1）硅加工 包括厚膜、薄膜机械加工和激光加工技术。 2）键合 包括芯片粘接、共熔键合、焊接、玻璃封接、静电封接等技术。 3）接线 主要有压焊、倒装式焊接TAB（带自动焊接）等技术。 4）基底 激光打孔技术。 大部分微传感器都是用半导体硅制成。其必不可少的硅微机械加工技术是硅集成电路工艺的一项重要的扩展技术，用以制造以硅材料为基底，层与层之间有很大差别的三维结构，包括膜片、悬臂梁、探针、凹槽、孔隙和锥体等。硅微机械加工技术包括： l）薄膜生长技术 包括多晶硅、单晶硅、氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃薄膜生长技术。 2）腐蚀技术 包括湿法、干法各向异性腐蚀技术以及各向同性