现代传感器技术(北航版)内容简介

1、1、绪论传感技术地位发展趋势开发新型传感器高精度、高分辨率微型化微功耗、无源化智能化、多向融合高可靠性网络化 2、集成式传感器概述：硅传感器出现，敏感结构和调理电路集成在同一芯片，实现传感器系统的SOC主要有硅压阻式和硅电容式硅压阻式集成压力传感器：结构图如下，敏感元件圆平膜片采用单清硅 结构设计：圆平膜片半径R、厚度H、边界隔离部分H1、H2法向位移最大量计算公式WR，max=3PmaxR416EH31-2最大位移与厚度比值WR，max=3Pmax1-216E(RH)4表面应变最大绝对值r,max=3PmaxR24EH21-2表面盈利最大绝对值r,max=3PmaxR24H2为保证良好输出特

2、性，r,max5×10-4【最大许用应变】，Ksr,maxb，否则过大会使被测压力与位移、应变或应力呈现非线性特性。圆平膜片上压敏电阻位置设计圆平膜片表半径r，平膜片工作半径R，则r<0.609R, 圆平膜片表面径向正压力为拉伸应力；r>0.609R, 圆平膜片表面径向正压力为压缩应力压阻效应最好的方向是45135/225/315°，P型电阻条压阻效应为RRr=-3pr21-448H2;RR=3pr21-448H2电桥输出电路恒压源供电电桥：假设4个手感电阻初始值一样均为R，当被测压力作用时两个敏感电阻增加，增量R（p）；两个敏感电阻减小R（p），电桥输出：Uo

3、ut=R(p)UinR+R(t),不考虑温度则Uout=R(p)UinR恒流源供电电桥:两支路电阻相等，RABC=RADC=2R+R(t) 温度漂移补偿:零位温度漂移【扩散电阻阻值随温度变换】串联或并联电阻灵敏度漂移改变电压硅压阻式集成加速度传感器利用单晶硅制作为悬臂梁，当悬臂梁自由端质量块受到加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，灿盛应力，使得压敏电阻发生变化。其根部正应力为6mLabh2，m围殴敏感块质量，bh为梁宽和厚度L为质量块中心至悬臂梁根部的距离，a为被测加速度。沿悬臂梁长度，在110晶向设置P型硅压敏电阻压阻效应描述为：RR110=aa+nn=ax，而纵向压阻系数a=1244；110

4、晶向RR110= - RR110。结构参数设计：应变约束条件6mLEbh2amaxb【取5×10-4】动态特性：固有频率f=0.162hL2E硅电容式集成压力传感器核心部件是一对压力敏感电容器，两个极板一个在玻璃上为固定基板；另一个置于硅膜片表面为活动极板。硅膜片由腐蚀硅片的正面和反面形成，当硅膜片和玻璃键合在一起形成有一定间隙的空气或真空的电容器，当硅膜片受到压力作用变形时，电容器两极间距离发生变化，导致电容变化。敏感特性：基于圆平膜片的电容敏感元件C=0R02-（p,）d=W1-2R22; W=3p1-216E·R4H3基于矩形平膜片的电容敏感元件C=-B1B1A1A1

5、2-（P，x，y）dxdy=Wx2A2-12y2B2-12; W=3p1-216E·R4H3开关-电容接口电路最适合硅电容式集成压力传感器的测量电路是新型的开关电容电路，由差动积分器和循环运行的A/D转换器组成。电容-频率接口变换电路采用电容频率C-F接口变换电容可将电容输出的电压变换为频率信号的输出。频率输出的硅电容集成压力传感器无需A/D交换，只用简单的数字电路即可编程微处理机易于接受的数字信号。硅电容式集成加速度传感器零位平衡式电容式加速度传感器传感器芯片由玻璃-硅-玻璃结构著称，悬臂梁自由端设有敏感加速度的质量块，其上下两侧电极有金属电极，形成电容的活动极板，安装在两固定基板

6、之间，组成一个差动电容。当有加速度（惯性力）施加在加速度传感器上，活动极板（质量块）将产生微小位移，引起电容变化，电容变化量C由开关电容电路检测并放大。两路脉宽调制信号UE和UE；由脉宽调节器产生，并分别加在两对电极上。通过这两路脉宽调制信号产生的静电力去改变活动极板位置，对任何加速度值，只要检测合成电容C和控制脉冲宽度，便能实现活动极板准确地保持在两固定电极之间的中间位置处。因静电力总是阻碍活动电极偏离零位，且与加速度正比，所以通过低通滤波器的脉宽信号UE，即为该加速度传感器输出的电压信号。基于组合梁的电容式加速度传感器硅电容式单轴加速度传感器3轴加速度传感器四个敏感质量块、四个独立信号读出

7、电极和四个参考电极3、谐振式传感器利用被测量影响敏感结构自身固有震动特性的规律实现的传感器称为谐振式传感器。该类传感器自身为周期信号输出（准数字信号），只用简单的数字电路即可转换为微处理容易接受的数字信号。谐振式传感器绝大多数是在闭环自激振动状态下工作的，结构如下：R为谐振敏感元件，又称为谐振子，核心元件，工作时以自身固有频率振动模态持续振动。形式多种多样，如谐振梁、复合音叉、谐振筒、谐振膜、谐振半球壳和弹性弯管。D、E分别为信号检测器和激励器，是实现机电、电机转换的必要部件，为组成谐振式传感器的闭环自己振动系统提供条件。常用激励方式为电磁效应、静电效应、逆压效应、电热效应、光热效应等。常用检

8、测方式有磁电效应、电容效应、正压电效应、压阻效应、应变效应、光电效应等。A为放大器，用于调节信号的幅值和相位，使得能可靠稳定工作于闭环自己振动状态。O为系统洁厕输出装置，是实现对周期信号检测的部件，用于检测周期信号的频率、周期、幅值比或相位差。C为补偿装置，主要对温度误差进行补偿，有时系统也对零位和测量环境的有关干扰静性补偿。ERD构成电-机-电谐振子环节，是谐振式传感器核心；ERDA组成闭环自激振动环节；RDOC组成信号检测、输出环节，是实现检测被测量的手段。闭环自激系统的实现条件：闭环传递函数：G(s)=R(s)E(s)A(s)D(s)自激频率丨G（V）丨1，G（V）=2n（n=0，

9、77;1，±2）的幅频和相位条件时域分析：输入：u1（t）=A1sinVt，输出：u1+（t）=A1sin（Vt+）品质因数Q=2Es/Ec,谐振子总能量与谐振子每个周期的阻尼消耗能量，Q越大越便于构成闭环自激振动系统，通过选材、工艺手段、边界结构及封装和工作环境改善可提高。典型应用：谐振筒压力传感器测量敏感元件是一个由恒弹合金制成的带有顶盖的薄壁圆柱壳。激励和拾振元件均由铁芯和线圈组成，为尽可能减小他们之间的电磁耦合，在空间呈正交安置，由环氧树脂骨架固定；圆柱壳与外壳形成真空腔，被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误差，在圆柱壳内腔安置了一个起补偿作用的温感元件。谐振式角速

10、率传感器压电激励谐振式圆柱壳角速率传感器顶端开口的圆柱壳为敏感元件，在开口端环向均布8个压电换能元件。原理图静电激励半球谐振式角速率传感器敏感元件是熔凝石英制成的开口半球壳，实现测量的机理基于壳体振型的进动特性如壳体转过角度时，振型在环向相对于与壳体移动，置于结构有关。谐振式直接质量流量传感器基于科里奥利效应结构：该传感器的谐振敏感结构为一对完全对称的形管，其根部通过定距板固定连在底板上；悬臂端通过弹性支撑连在一起。设置于弹性支撑上的激励单元使这对平行的形管做一阶弯曲主振动，建立谐振式传感器的工作点。当管内流过质量流量时，柯氏效应使得形管产生关于中心对称轴的一阶扭转“副振动”。该一阶扭转“副振

11、动”相当于形管自身的二姐弯曲振动，直接与流量成比例。 基于以上理论分析,谐振式直接质量流量计输出信号检测的关键是对两路同频率周期信号的幅值比的测量.图4给出了设计的原理电路.其中ui1和ui2是质量流量计输出的两路信号.单片机通过对两路信号的幅值检测计算出幅值比,进而求出流体的Qm.图5给出了周期信号幅值检测的原理电路.利用二极管的正向导通、反向截止的特性对交流信号进行整流,利用电容的保持特性获取信号幅值.对图4给出的电路,两路幅值检测部件的对称性越好,系统的精度就越高.但是由于器件的原因可能会产生不对称,所以在幅值测量及幅值比测量过程中,按以下步骤进行:用幅值检测1检测输入信号ui1的幅值,

12、记为A11,用幅值检测2检测输入信号ui2的幅值,记为A21;用幅值检测2检测输入信号ui1的幅值,记为A12,用幅值检测1检测输入信号ui2的幅值,记为A22;B1=A11+幅值比.这样就抵消了部分因器件的原因引起的误差,这是靠牺牲时间来换取精度的.此外,根据前面的分析:传感器输出的两路正弦信号,其中一路是基准参考信号,在整个工作过程中会有微小的漂移,不会有大幅度的变化;另一路的输出和Qm存在着函数关系,所以利用这两路信号的比值解算也可以消除某些环境因素引起的误差,如电源波动等.同时,对幅值比的检测具有较好的实时性和连续性,这是用幅值比检测方案的优点.图4中的单片机系统采用Intel 805

13、2单片机,显示器采用64×128点阵的液晶显示器,串行口采用RS232接口,可方便的与微机进行连接;程序存贮器采用27C256(32 k),A/D转换采用Burr-Brown公司的ADS7805(16位,转换速率50kHz ).软件系统采用Franklin C51进行编程,采用中断方式对幅值进行检测,用数字滤波的方法对测得的幅值信号进行处理.由于流量属于缓变信号,所以采用该方法是可行的.按上述原理电路,研制了相应的实际子系统.取两路正弦信号为模拟输入,实测结果表明:所研制的系统对幅值比检测的精度优于0.1%.谐振式硅微结构传感器微结构指利用微机械加工技术，将常规机械结构和巧妙的新结构

14、以微型化的形式再现出来，具有经典谐振式传感器的优点，质量小、功耗低、响应快，集成化的特点。4、光电传感器基于光的二象性原理，光可视为粒子或电磁波组成。光电传感器可理解为将入射到被照物体的光源信号转换成电信号的光电O/I转换器，由光源光源I/O、光学系统和充电器件组成，最大特点是光源的直接检测和被照射物体的间接检测都能以非接触的方式高速进行。光电原理：光的传播（能量）、PN结半导体光源光电效应型探测器和光导效应型探测器光电效应型：硅光二极管、雪崩二极管和电荷耦合器件是常用的光电转换器元件，工作原理是利用PN结势垒使入射光子能量转换为电子能量。PN结光电探测器原理图当光入射到P硅层，光被吸收到PN

15、结型区，当吸收的光子能量h大于半导体禁带宽度（带隙能）Eg后，电子将从价带被激活至导带，在价带遗留下空穴，形成光电子空穴对。在内电场（自建电场）作用下，N区空穴移向P区，P区电子移向N区，相向移动的结果，在N区聚集电子，在P区聚集正电的空穴，产生光电动势和光电流。光导效应型：当入射光子直接照到某物质上，至使物质内部的束缚态电子称为传导电子参与导电，因而电导率增加，称这种物理现象为光电导效应，简称光导效应。设光导元件在光功率为P0的光直接照射下，电导率增加，在外加偏压下引起电流增加，增加的电流与吸收的光子数成正比，有i0=P0hcq0G光电传感器的主要性能参数：1、灵敏度S流明灵敏度光电流/光导

16、通单位：A/lmSx勒克斯灵敏度光电流/受光面照度单位：A/lxRs红外光波段或紫外光波段的辐射量表示的辐射灵敏度光电流/辐射通量A/W2、检测限描述传感器检测的微弱信号能小到何种程度的一个特征量。这个量表示法主要有噪声等效功率NEP和比检测率（比探测率）D*两种假设用正弦波调制后的光照射传感器，并且传感器是输出的均方根值与传感器的噪声的均方根值相等（S/N=1）时，可用入射信号正弦波辐射通量的均方根来对NEP定义，NEP=PVn/Vs=Vn/Rs，其中P为辐射通量均方根、Vn为输出噪声均方根，Vs为输入信号均方根，每单位带宽换算后有NEP=P（Vn/Vs）/(f)1/2;NEP越小，噪声越小

17、，性能越好。比检测率D*是NEP的倒数。3、光谱灵敏度特性一为包括光的入射窗透过特性在内的传感器综合特性；以为描述传感器元件材料的特性。4、时间响应特性描述对光源辐射响应的快慢，测量时用阶跃响应和频率响应衡量。5、内部阻抗静态阻抗和动态阻抗6、信噪比与动态范围判断噪声大小，信噪比S/N=20lg(Is/In)7、暗电流，指在既无光照，又无电注入的情况下的输出电流。8、分辨率评价摄像器件识别微小光像和再现光像能力的主要指标，MTF空间频率（明暗光线条纹在空间出现频度）描述成像传感器CCD输入光像与输出信号比的一种函数。CCD阵列传感器P型硅或N型硅衬底上先生长一层SiO2绝缘层，厚约100nm，

18、再淀积一系列米拍的金属铝电极（栅极）。每个金属电极和他下面的绝缘层与半导体硅衬底构成一个MOS电容器，所以CCD基本上是由密排的MOS电容器组合的阵列。MOS电容器半导体用泊松方程描述给栅极加负电压，将排斥电子而吸引空穴，导致表面电子能量增大，表面除能带上弯。CCD由密排的MOS构成，在闪电杨作用下，在硅衬底上形成众多相互独立的势阱。此时如果遭到光敏元上是一幅明暗起伏的景象，则光敏元感生出一幅光照强度相应的光生电荷图像，这就是摄像器件CCD的光电转换效应。为突出电子图像，依靠相脉冲驱动电压实现。常见的输出方案是浮置栅输出，包含两个结型场效应管，建有输出检测和前置放大的作用。红外传感器能够对红外

19、辐射敏感并转换成电信号输出的探测器称为红外探测器（传感器）。二维阵列的红外探测器叫做焦平面阵列。主要分两类：热探测器和光子探测器。热探测器接受红外辐射后，自身温度发生变化，引起热敏元件和电学或力学性质发生变化，通过检测这种变化来感知红外光。分为两类：热探测器和光子探测器，热探测器指接受红外辐射后，自身温度发生变化，从而引起热敏元件的电学或力学性质发生变化，通过检测这种变化来感知红外光，检测机理依赖于红外能量，故其相应时间要比光子探测器长，信噪比和探测灵敏度比光子探测器低，热探测其性能也差些。但其相应波段范围宽，无波段要求，最大优点是在室温下工作无须冷却。红外光子探测器接受红外辐射后利用半导体材

20、料的光子效应，如光导效应、光电效应制成的探测器。在半导体材料中制备出PN结，利用PN结势垒把光能转换为电能，连接外电路即有电信号输出，材料主要有Hg1-xCdxTe、InSb和PtSi等。军用的红外焦平面阵列探测器IRFEPA现代红外系统成像系统的核心器件，广泛用于红外热成像、红外搜索和跟踪系统。把红外敏感的面阵列器件和SiCCD结合构成红外焦平面成像系统。包括混合式IR-CCD成像仪、单片集成式IR-CCD。5、纳米传感器两个指标：纳米材料和纳米结构纳米探针材料：金属氧化物、碳纤维、碳纳米管、多孔硅和金刚石等。结构：能弯曲变形的微悬臂梁，梁根部多固定于硅支撑体上，纳米尖制作在梁的自由端。按扫描探针显微测试原理，分两种工作模式：一时基于量子隧道效应的扫