北京工业大学现代传感及检测技术

刘增华基础楼605liuzenghua@2015年11月12日现代传感与检测技术北京工业大学硕士研究生选修课一、绪论（一）现代传感技术目录一、概述二、传感技术的发展方向三、新型传感效应四、新型传感材料五、先进加工技术六、研究热点一、概述传感技术是关于传感器原理、结构、材料、设计、制造及应用的综合技术。传感器处于检测过程的第一个环节，它直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传递的物理量，是获得信息的重要手段，与通信技术、计算机技术并成为现代信息技术中的三大核心技术。现代传感器技术发展的必要性

及其动态

传感技术是人类探知自然界信息的触觉，是人类认识和控制对象的条件和依据，是21世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。传感器是自动化系统和信息系统的关键性基础器件，其技术水平直接影响到自动化系统和信息系统的水平，传感器的好坏对系统质量起着决定性作用。目前，我国在工业上应用的大多数传感器技术存在很多不足。为使产品在市场中更具竞争力，在开发及采用新型仪表和控制技术同时，也应对传感器技术的开发予以高度重视。全美电站有关统计数据表明，改进、优化过程传感器与仪表能改善电站热效率达1%，每年节约约3亿美元。另外，采用先进传感器与仪表若使设备利用率提高1%的话，每年可节约约30亿美元。

人类已进入信息时代，获取信息是利用信息的先决条件。通过传感器获得的信息正确与否直接关系到整个测量或控制系统的成败与精度，因此，在检测系统中占有十分重要的位置。新效应、新材料、新工艺的出现，促进新型传感器的问世。二、现代传感器的定义现代传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。国家标准GB7665-87的定义为：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置”。定义包含以下几方面的含义：传感器是测量装置，能完成检测任务，在检测系统中，传感器是必备装置。它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器的构成：敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量。基本转换电路是一些能把敏感器件或转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录和处理等有用的电信号的装置。随着集成电路制造技术的发展，现在已能把一些处理电路和传感器集成在一起，购车功能集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成了一种新型“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。二、传感技术的发展方向当今传感器技术的主要发展动向：开展基础研究，重点研究传感器的新原理、新材料和新工艺；实现传感器的微型化、阵列化、集成化和智能化。从当前高新技术发展趋势来看，传感技术发展方向具体表现在以下几个主要方面。(1)发现并利用新现象与新效应

利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。例如，利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，其灵敏度比霍尔器件高。制造工艺相对简单，可用于磁成像技术。(1)发现并利用新现象与新效应（续）

据报道，美国国立实验室的研究人员正在研制变色传感器，当存在目标物质时传感器由蓝色变成红色。参照细胞膜的模型，可针对一种特定的生物目标设计传感器。一旦识别出目标物质，膜将由蓝色变成红色，提示有目标物质存在。钱永健

(RogerYonchienTsien)

1952年出生，美国生物化学家。2008年诺贝尔化学奖得主，美国国家科学院院士，美国国家医学院院士，美国艺术与科学院院士。从事的研究工作：生物发光现象研究(2)利用新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器。以下三个方向：A在已知的材料中探索新现象、效应和反应，然后使他们能在传感器技术中得到实际应用；B探索新材料，应用那些已知现象、效应和反应来改进传感器技术；C在研究新型材料的基础上，探索新现象、新效应和新反应，并在传感器技术中加以实施。近年来，对传感器材料的开发研究有了较大进展，主要发展趋势如下：A单晶体到多晶体、非晶体；B单一型材料到复合材料；C原子（分子）型材料的人工合成。现代传感器制造业的发展取决于传感器技术的新材料和敏感元件的开发。传感器开发的基本趋势和半导体以及介质材料的应用密切关联。目前人们已在采用硅或金属和非金属合成的化合物半导体等敏感材料、陶瓷材料、非晶化或薄膜化磁性材料和智能材料(包括生物体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物等)等来研制传感器。例如：等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿度传感器测湿范围宽、使用温度范围可达-400~1500℃、响应速度快(小于1s)，且其尺寸小，可用于小空间测湿。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所报道了一种新型柔性可穿戴仿生触觉传感器—人造仿生电子皮肤。以丝绸为模板方式，实现了具有微纳米结构薄膜的可控制备，并与自支撑单壁碳纳米管超薄膜结合，构筑了具有高灵敏度的柔性仿生电子皮肤，并将其应用于对脉搏、语音等人体生理信号的实时快速检测，通过对人体说话时喉部肌肉群运动产生的微弱压力变化及脉搏波形变化分析,推进了可穿戴设备在语音辅助输出系统、人体健康评价和疾病前期诊断方面的应用。(AdvancedMaterials,2014)(3)微型化、量子化拓广

采用微细加工技术(包括离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术)制造各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制成压力传感器等。此外，传感器的检测极限正在迅速延伸，如利用约瑟夫逊效应研制的热噪声温度计，可测出0.00001K的低温。(4)向集成化、多功能化、多维化与数据融合、系统化方向发展随着半导体技术的发展，现在已经将原先分开的敏感元件与信号处理以及电源部分制作在同一基片上，从而使检测及信号处理一体化、集成化，便于提高生产率。如利用光电转换原理组成网状阵列，将电信号转换成光学图像的显示器件。并已经出现了多功能传感器，可以同时测量多种参数或具有多种功能。(续)

如美国单片硅多维力传感器(3个线速度、3个离心加速度、3个角加速度)；温、气、湿三功能陶瓷传感器。数据融合技术是指建立在多个测试参数、多个数据信息进行综合处理的基础上而实现的数据融合。多维传感、智能传感、光信息传感等，构成复杂的传感系统。如航空测量中的侧视孔径合成雷达，就是通过多个传感器在计算机中形成虚拟光学成象系统的一种新型传感系统。(5)向智能化发展

随着微处理器芯片的发展，已广泛内置在各种传感器中，再利用人工神经网络、人工智能和先进信息处理技术（如信息融合技术、模糊理论等），使传感器具有更高级的智能。传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，称之为传感器的智能化。5.1智能传感器的定义

关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“SmartSensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。具有类似人工智能的作用。“带微处理器”包含两种情况：[1]将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的单片智能传感器[2]传感器能够配微处理器后者的定义范围更宽，但二者均属于智能传感器的范畴。世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差压、静压和温度)与智能化的信号调理功能。目前，ST3000系列智能压力传感器在全球销量已突破50万只，深受广大用户的青睐。5.2智能传感器的功能(1)具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标定功能。(2)具有数据存储、逻辑判断和信息处理等功能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对参数进行自动补偿等）。(3)具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。(4)具有双向通信功能，能直接与微处理器(μP)或单片机(μC)通信。5.3智能传感器与传感系统的特点5.3.1高精度智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到高精度指标。美国霍尼韦尔公司：PPT、PPTR系列智能精密压力传感器，测量精度为±0.05％，比传统压力传感器的精度大约提高了一个数量级。(a)PPT系列(b)PPTR系列智能精密压力传感器5.3.2宽量程智能传感器测量范围很宽，具有很强的过载能力。例如，美国ADI公司：ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪集成电路测量转动物体的偏航角速度的范围是±300°/s。只需并联一只设定电阻，即可将测量范围扩展到1200°/s。5.3.3多参数、多功能(1)多路智能温度控制器Pentium4处理器是Intel公司推出的高性能微处理器。最高主频目前已达3.6GHz，它采用了0.13μm制程，集成度高达5500万～7700万只晶体管，运行速度的大幅度提高，其功耗也显著增加，必须采取更完善的散热保护措施。芯片中还有内置数字温度传感器。(2)多功能式湿度／温度／露点智能传感器系统瑞士Sensirion公司：SHT11/15型高精度、自校准、多功能式智能传感器。能同时测量相对湿度、温度和露点等参数；兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的功能；可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。外形尺寸仅为7.62mm(长)×5.08mm(宽)×2.5mm(高)，质量只有0.1g，其体积与一个大火柴头相近。

SHT11/15型智能传感器的外形(3)多功能式混浊度/电导/温度智能传感器系统美国霍尼韦尔公司：APMS－10G型带微处理器和单线接口的智能化混浊度传感器系统能同时测量液体的混浊度、电导和温度，构成多参数在线检测系统，可广泛用于水质净化，清洗设备及化工、食品、医疗卫生等部门。外形插座引脚传感器智能化是一门现代综合技术，它把传感器变换、调理、采集、处理、存储、输出等多种功能集成一体，具有自校准、自补偿、自诊断、自动量程、人机对话、数据自动采集存储与处理等能力，又具有分析、判断、自适应、自学习等功能，大大提高了传感器的测量精确度和方便性，从而可完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。智能化传感器与传统传感器相比有很多特点：A具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，提高测量精度；B可实现多传感器多参数测量；C

有自诊断和自校准功能，提高可靠性；D测量数据可存取，使用方便；E

有数据通讯接口，能与微型计算机直接通信，实现网络化或远程通信；F

具有自能算法及自学功能。对外界信息具有检测、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，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。传感器+嵌入式计算机智能传感器智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角传感器IC总线数字温度传感器声发射智能探头智能传感器举例人体传感器：无线传输健康数据《中国科学报》(2013-08-09）（台北国立台湾大学）传感器内的软件可以识别每一个颌运动样式的指示，然后统计病人咀嚼、饮水、说话、咳嗽或者吸烟的时间，并保存相关数据。牙齿传感器的加速计会把口腔活动数据发送到智能手机上，据此医生能够了解患者情况。(6)改善传感器性能

I差动技术是现代传感器普遍采用的技术。它的应用可显著减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消共模干扰，减小非线性误差。采用差动技术，还可提高传感器灵敏度。II平均技术

采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差δ均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为N为传感单元数。利用该技术可使传感器误差减小，增大信号量，即增大传感器灵敏度。光栅、磁栅、容栅、感应同步器等传感器，由于其本身的工作原理决定有多个传感单元参与工作，可取的明显的误差平均效果。这是这一类传感器的固有优点。另外，还可对某些工艺性缺陷造成的误差起到弥补作用。因此在结构允许的情况下，适当增多传感单元数，可收到很好的效果。如圆光栅传感器，若让全部栅线同时参与工作，设计成全接收形式，误差平均效应就可发挥出来。III补偿与修正技术主要针对两种情况：(1)针对传感器本身特性，找出误差变化规律，或测出其大小和方向，采用适当方法加以补偿或修正。如传感器的温度误差补偿。(2)针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力措施。如激光式传感器中，常把激光波长作为标准尺度，而波长受温度、气压、温度的影响，在精度要求较高的情况下，需根据这些外界环境情况进行误差修正。本身特性修正、工作条件或外界环境修正，可通过硬件或软件实现。随着电子技术的发展，许多弱电平、非线性严重的传感器在高性能放大器和微电脑帮助下大大提高了检测精度。IV屏蔽、隔离与干扰抑制

传感器大都在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时极其恶劣。为减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。对于电磁干扰，可采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。V稳定性处理

传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性非常重要，其重要性甚至超过精度指标，尤其是对那些很难活无法定期鉴定的场合。造成传感器性能不稳定的原因：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。为提高传感器性能的稳定性，应对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如结构材料的时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化以及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。在使用传感器时，若测量要求较高时，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。三、新型传感效应传感器的工作原理是建立在各种物理效应、化学效应和生物效应基础之上的。1物理效应物理效应指利用某些物理规律，使敏感元件或功能材料的物理性质在被测量的作用下引起变化的特性，利用物理效应制成的传感器称为物理型传感器。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

1.1光电效应当光照射到光电材料上，材料发射电子或者其电导率发生变化，或者发生感生电动势，这种因光照使材料电学特性发生改变的现象称为光电效应。根据光电效应可制成不同的光电转换器件，将光信号转换成电信号，具有非接触、高灵敏度、高精度、抗干扰性强的特点。广泛用于测距、测温、测速、通信和遥感等。光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所组成，每个光子具有的能量正比于光的频率，光的频率越高，光子的能量就越大。光电效应实质是入射光粒子与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用，使电子能态发生改变，并且这种变化与光子能量大小有关，所以光电效应是一种波长选择性物理效应。按照是否发射电子，光电效应分为内光电效应和外光电效应。(a)外光电效应在光照射下，某些材料中的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。逸出来的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。爱因斯坦光电效应方程：

1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。2.υ一定时，产生的光电流和光强成正比。3.逸出的光电子具有动能。光电管光电管是将光强的变化转化为光电流的装置。包括真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空光阳极光电阴极光窗玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。(b)内光电效应光照射到某一物体上，使其导电能力发生变化的现象，这种现象几乎可以在所有的半导体中观察到，由于该过程在半导体材料内进行，所以称为内光电效应。内光电效应包括光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光磁电效应等。光电导效应电极半导体玻璃极板如果在材质均匀的光电材料两端加上一定电压，当光照射到材料上时，材料吸收光子的能量，通过本征激发产生能参与导电的电子空穴对，这些载流则在元件两端外加电压的作用下形成电流，电流大小受光照强度的控制。光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化钾等。与光电导效应相反，光生伏特效应是少数载流子过程。少数载流子的寿命通常短于多数载流子的寿命，当少数载流子复合时，光生伏特信号就终止了。由于这个原因，基于光生伏特效应的光探测器通常比用相同材料制成的光电导探测器相应更快。1.2压电效应压电效应是一种可逆的物理效应，包括正压电效应和逆压电效应，基本转换关系是力与电学量之间的转换。基于压电效应所形成的传感器可以感测多种物理量和化学量，随着压电材料的开发和研究，应用领域不断拓展，产生许多新型压电传感器，如声表面波(SurfaceAcousticWave,SAW)传感器等。正压电效应：某种电介质材料，在一定方向受外力作用而变形时，在表面上产生电荷，当外力去掉后又重新回到不带电的状态，这时机械能转换为电能。逆压电效应：在电介质极化方向施加电场，它会产生机械变形，去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这时电能被转换为机械能。具有压电效应的电介质称为压电材料。(1)声表面波传感器声表面波是英国物理学家Rayleigh于19世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种集中在地表面传播的声波，后来发现在任何固体表面都存在这种现象。1965年美国的White和Voltmov发明了能在压电晶体材料表面上激励声表面波的金属叉指换能器，SAW技术得到了迅速发展。近20年来，基于SAW器件频率特性与温度、压力、加速度、流量和某些气体成分之间具有确定的关系，开发了多种新型传感器，用于检测各种物理、化学参数。声表面波是沿弹性体表面传播的弹性波，是一种机械波，通过叉指换能器激励产生，利用压电材料的压电效应实现。由于压电效应具有可逆性，叉指换能器既可作为发射换能器，用来激励SAW，又可作为接收换能器，用来接收SAW，因而这类换能器是可逆的。这种周期性的应变就产生沿叉指换能器两侧表面传播出去的SAW，其频率等于所施加电信号的频率。SAW传感器的关键是SAW谐振器。它由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成。SAW谐振器可用来测量各种物理量和化学量，典型的有SAW温度、应变、压力、加速度、气体、流量、湿度传感器。延迟线型谐振器振子型谐振器IDTIDTIDT反射栅反射栅1.3热释电效应（Pyroelectriceffect）在某些晶体中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象称为热释电效应，是热电效应中的一种。近年来，利用热释电效应为原理研制的红外光敏器件在军事侦察、资源探测、保安防盗、火灾报警、温度检测等众多领域获得广泛应用。1.4多普勒效应当波源与观测者之间存在相对运动时，观测者所接收到的波的频率不等于波源振动的频率，这种现象称为多普勒效应。可用于物体运动速度的测量。如雷达测量飞机的速度，微波监测往来汽车的行驶速度，利用激光测量流速，通过观测卫星发射电磁波频率变化判断卫星运行情况。多普勒效应根据信号源不同分为声多普勒效应和光多普勒效应两种。以光波为例，设光波源的频率为f0，当接收器相对光源以速度v运动，在光速为c（c>>v）的情况下，接收器接收到的光波信号频率为f，则θ为光传播方向与接收器相对运动方向之间夹角。利用多普勒效应原理研制的激光流速仪是流速测量技术的一个重大进展，实现了非接触测量，对流场无干扰，测速范围大，空间分辨率高，动态响应快，目前已成为边界层、非定常流、湍流研究的有力工具。2化学效应化学效应是利用化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、浓度等特性转换为电信号的特性。利用化学效应制成的化学传感器被广泛地用于化学分析等化学工业的在线检测及环保检测中。2.1吸附效应材料表面吸附气体分子产生化学反应，使材料表面电导率发生变化的现象。利用该原理制成的传感器可进行气体的检测，主要有氧化物半导体SnO2、ZnO和Fe2O3三大类，用于可燃性气体检测。随着材料科学的发展，研究开发了一批新型材料，如单一金属氧化物、复合金属氧化物以及混合金属氧化物用作气敏材料，大大提高了气体传感器的特性和应用范围。吸附效应建立在半导体表面理论基础上。在半导体表面原子性质特别活跃，很容易吸附气体分子。当气体分子的亲和能（电势能）大于半导体表面的电子逸出功时，吸附分子将从半导体表面夺取电子而变成负离子吸附，如氧气、氧化氮等。N型半导体表面形成负离子吸附，则表面多数载流子（导带电子）浓度减小，电阻增加。P型则反之。若气体分子的电离能小于半导体表面的电子逸出功时，气体供给半导体表面电子，形成正离子吸附，如H2、CO、C2H5OH以及各种碳氢化合物。当N型半导体表面形成正离子吸附时，则多数载流子（导带电子）浓度增加，电阻减小，P型则反之。由此，利用半导体表面电阻变化就可以检测出气体的种类和浓度。利用吸附效应还可用于湿度测量。湿度传感器依据水分子的吸附作用，材料表面吸附水分后引起表面电阻率变化，实现湿度测量。传感器由敏感体以及依附的基底、加热器和信号引出电极等三部分构成。2.2光化学效应利用媒介层与被测物质作用前后物理、化学性质的改变而引起传播光特性发生变化的性质。光纤化学传感器利用光化学效应工作。在测量中，光纤本身作为传感媒介，与化学传感系统相结合。如，光纤端部固定有敏感膜，被分析物与化学传感试剂的化学作用引起光学特性变化，通过光纤进行检测。2.3热化学效应指可燃性气体在催化氧化过程中所放热量会引起温度变化的特性，该温度的变化量与气体的种类和浓度有关，通过测量温度的变化量可实现对气体的检测。这种气体传感器的选择性可由不同的催化剂来控制。接触燃烧式传感器，当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会产生氧化反应而燃烧。通过在铂电阻线圈上覆盖一层氧化铝，然后烧结成一个敏感膜。传感器工作在高温区，其目的是使氧化作用加强。气体燃烧时释放出热量，导致温度升高，使铂电阻的阻值发生变化，通过电桥测量电路实现气体浓度检测。3生物效应指生物活性物质能识别某种被测物质，并发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象，或产生新的化学物质。利用生物效应制成的各种生物传感器是近年来发展很快的一类传感器，在化学工业的监测、医学诊断、环保监测等方面都有着广泛的应用前景。生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等，它们的高分子具有特殊的性质，能精确地识别特定的原子和分子。利用这种单一的识别能力可判定某种物质是否存在，其浓度是多少，再将此信息转化为电信号就可对被测物质进行特定的识别。3.1酶反应酶由蛋白质形成，是一种生物催化剂。能对特定物质进行催化反应，生成或消耗电极活性物质（如O2、H2O2、CO2、NH3等）。用电化学测量装置测定反应中电极活性物质量的变化，就可得到被测成分的浓度。酶反应的特性与酶的活性、酶膜厚度、PH值和温度有关。生物细胞的复杂代谢就是由成千上万个不同的酶控制的，酶的催化效率极高，而且具有高度专一性，即只能对特定待测生物量进行选择性催化，并且具有化学放大作用，利用酶的这种特性可制造出高灵敏度、选择性好的传感器，用来测定各种糖、氨基酸、酯质和无机离子等。在医疗、食品、发酵工业和环境分析等领域获得多方面的应用。葡萄糖传感器利用葡萄糖氧化反应起一种特异催化作用的酶—葡萄糖氧化酶(GOD)，葡萄糖在GOD作用下被氧化，消耗氧气，生成葡萄糖酸和H2O2，通过氧的消耗量，或H2O2的生成量，或由葡萄糖酸引起的PH值的变化就可测量葡萄糖的浓度。3.2微生物反应将微生物作为生物催化剂进行的反应。与酶反应的机理类似，都是利用酶的分子识别功能和催化功能。每个微生物细胞都是一个极其复杂的完整生命系统，数以千计的酶在系统中高度协调地工作，所以微生物可看作是多种酶的综合，即复合酶，用微生物代替酶，可获得具有复杂功能的生物传感器。微生物反应有好氧反应和厌氧反应两大类。好气性微生物生存在含氧条件下，生长过程离不开氧，它吸入氧气而放出二氧化碳，通过氧电极或二氧化碳电极测出氧气或二氧化碳含量，即可得知微生物生理状态。把这种微生物传感器放入含有有机化合物的试液中，有机物的浓度会影响微生物的呼吸状态，因此通过微生物传感器可对有机物的浓度进行定量测试。厌气性微生物，氧气的存在会妨碍它的生长，可根据二氧化碳的量或代谢产物量得知其生理状态。3.3免疫反应一旦病原菌或其它异性蛋白质（即抗原）侵入人体，会在人体内产生能识别抗原并将其从体内排除的物质（称为抗体），抗原与抗体结合形成复合物的反应称为免疫反应，通过反应能将抗原清除。抗体对相应的抗原具有识别和结合的双重功能，所以抗体能有选择地域抗原结合而不与其他物质结合，利用抗体对抗原的识别功能和与抗原结合功能研制的传感器就是免疫传感器，临床上常用来检验各种抗原和抗体。四、新型传感材料任何传感器都需要选择恰当的材料来制作，由于材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器，所以开发新型功能材料是发展传感技术的关键之一。1半导体敏感材料半导体材料对很多信息量，如光、热、压力、磁场、辐射、湿度、气体、离子等具有敏感特性，能将这些信息转化为电信号形式输出。在多种传感器制造技术中，半导体材料的加工技术发展很快，易于实现微型化、多功能化、集成化和智能化，也是目前传感技术发展的方向，所以半导体材料是一种理想的传感器材料，在传感技术领域中占有越来越重要的地位。以硅为基体的半导体材料是应用最广的半导体材料，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等。硅传感技术促进和推动了传感技术的发展。具有以下特点：(1)很好结合了硅材料的优良力学性能和电学性能；(2)制造工艺与微电子集成制造工艺相容，促进传感技术向小型化、微型化、多功能化、集成化和智能化发展；(3)功耗低、轻质、响应快、易批量生产和性价比高，提高了稳定性、可靠性和测量精度。化合物半导体材料（如GaAs、InSb等）具有耐高温、抗辐射、电子迁移率等优点，先进的图像传感器常采用该类材料。化合物半导体的一个重要发展方向是超晶格材料，具有低噪声高电子迁移率，灵敏度极高，是检测极微量的敏感材料，可用来制成光敏、磁敏、超声波等敏感元件。2陶瓷敏感材料陶瓷是用高温烧结法制成的非金属无机固体材料，它是由晶粒、晶界、气孔、杂质和缺陷构成的多晶聚合物。其宏观性能取决于组成和微观结构。特点：物理化学性能稳定，机械强度较高，耐高温，耐腐蚀，用途：可制成力敏、压敏、热敏、光敏、声敏、气敏、湿敏和离子敏等传感器。陶瓷敏感材料种类繁多，极有发展潜力，常用的有半导体陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、离子导电陶瓷、超导陶瓷和铁氧体等，其中，半导体陶瓷是传感器敏感元件应用的主要材料。采用化学、物理及热性能稳定的金属氧化物烧结陶瓷制造的。3高分子材料具有应用潜力的新型敏感材料。高分子是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物，其中所含的原子数可达数万，甚至数十万。主要表现为绝缘性，近年发现某些高分子材料可处理成具有半导体甚至金属的特性。用于开发出多种机械和声学以及电化学、化学、生物传感器。控制和改变高分子材料中掺入的添加剂，材料能呈现出多样的特性。目前，几乎有一半的化学和生物传感器是基于某种高分子材料的。根据敏感机理的不同可分为非导电性高分子材料，导电性高分子合成物、高分子电解质及聚合高分子电解质、导电性合成高分子薄膜、吸附性材料、离子交换性薄膜、选择性渗透膜、带有特定识别区膜以及光敏高分子材料等。非导电性高分子材料是一种绝缘型材料，绝缘特性可用两个重要物理特性来描述：介电常数（描述材料在电场中的极化性）和自发极化强度矢量（在无电场时存在）。绝缘材料的极化性可通过机械压力（压电效应）或温度变化（热点效应）来改变。如聚偏氟乙烯（PVDF）具有压电效应和热释电效应，其特点是灵敏度高，压电常数比石英高十多倍，温度分辨率高，机械强度高，易加工，可制成声学传感器等。PVDFPiezoelectricfilmContactmicrophoneUltrasonic导电性高分子材料是一种电绝缘高分子基体加载一种导电性填充物合成。在合成物中电阻系数的变化是填充物浓度的函数，它描述了随着在两个填充材料微粒之间电子导电通道的出现而呈现的导电性。改变填充物容量的环境效应，如由于热交换引起的温度变化，由于弹性系数引起的变形和由于湿度和吸收蒸汽而导致的材料膨胀等，都会引起电阻系数的变化。因而采用导电性高分子材料可制备热敏电阻、压阻式压力、触觉、湿度和气体传感器。光学敏感高分子材料是一种合成高分子材料。由于高分子材料本身的光学参数不受环境的影响，在其中掺进另一种光学敏感材料，能使之对光具有敏感效应，包括比色、荧光性、发光性效应、光的折射和传播变化。如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）已广泛应用于光纤传感器中，用作光波导或覆层；带各种指示色的高分子化合物可应用于离子、气体、湿度或酶传感器。光纤测量技术具有分散测量的能力。对光纤的测量值进行滤波或输出处理后，一根光纤整个长度均可作为一个传感器，可提供优于点测量的断面测量。此外，光纤传感器还具有一些常规传感器无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁场干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”干扰、体积小、机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等优点。4纳米材料纳米是一个尺度单位，1纳米是十亿分之一米（10-9m，nm），约为4倍原子大小。纳米材料一般是指尺寸在1-100nm之间的金属、合金、半导体、氧化物及各种化合物的颗粒及由纳米微粒构成的纳米固体材料。纳米材料以原子或分子为起点，可设计出更强、更轻、可以自修复的结构材料。与传统材料相比，纳米材料尺寸小、结构特殊，因此具有许多新的物理化学效应，如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应，使纳米材料成为传感技术发展的重要物质基础。如1克纳米尺度的微粒，其表面及可达几万平方米，由于表面积增大，活性大大增强，利用这一特性，可制成更理想的气敏传感器。当金属分割成纳米超细微粒时，由于对光的吸收能力大大增强而变成黑体，具有这种特性的材料，可称为最灵敏的光敏材料。利用纳米材料制成传感器的敏感元件，须严格控制工艺过程中的工艺条件和工艺方法，材料保证材料一直处于纳米量级，纳米材料的优异特性才能发挥出来。如纳米半导体陶瓷气敏材料纳米粉体的制备根据原材料的形态，可分为固相法、液相法、气相法以及涉及三种形态的复合相制法。纳米粉体再通过粉体成型、烧结、装配等十几道后序工艺最终制成敏感元件。在生命医学领域，利用纳米技术制成的纳米传感器，可深入细胞内产生各种生化反应，得到化学信息和电化学信息，可对致病机理进行研究，深化对生命现象的理解。纳米传感器的诞生将会极大丰富传感器的理论，推动传感器的制作水平，拓宽传感器的应用领域。碳纳米管基铁电场效应晶体管碳纳米管独特的结构和电学性质为其电子器件应用提供了巨大潜力。中国科学院物/htmlpaper/20094241433542305943.html理研究所/北京凝聚态物理国家实验室开发出一种基于碳纳米管的铁电场效应晶体管存储器件单元。五、先进加工技术传感技术的发展出了与新效应新材料有关，还与其加工技术有关。伴随着新型传感器的研究和开发，以及其他相关科技的发展，加工技术特别是微机械加工技术得到了前所未有的进步。目前，传感器有逐渐小型化、微型化的趋势，以集成电路制造技术为基础的微机械加工技术可使加工出来的敏感元件尺寸达到光的波长级，并可大批量生产，从而制造出超小型且价格便宜的传感器。如利用微机械加工技术制造的硅微传感器，其敏感尺寸非常微小，典型尺寸在微米级或亚微米级，相应体积质量大幅减少，具有传统硅传感器不具备的优点。硅微传感器用于压力、气体、湿度等测量时，能感受微小被测量的变化，测量精度高，可靠性好，具有很好的发展前景。1薄膜加工技术在微传感器中利用各种材料制成薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金属（合金）膜等，有的作为传感器的敏感膜，有的作为介质膜起绝缘层作用，有的作导电膜。在一定基底上，用真空蒸发、溅射、化学气相淀积等工艺技术，制成金属、合金、半导体、化合物半导体等材料的薄膜，且薄膜厚度在微米级，该加工技术称为薄膜加工技术。利用该技术，可制成力敏、光敏、磁敏、气敏、湿敏、热敏、化学敏、生物敏等薄膜敏感元件。(1)真空蒸发真空蒸发和溅射属于物理气相淀积方法，需在真空中进行，主要设备是真空镀膜机，外加钟罩提供真空环境。在真空室内将待蒸发（源）材料置于加热器中加热，使其分子或原子获得足够热能离开原材料，形成蒸汽状，淀积到基底上，从而形成薄膜。蒸发所要求的环境真空度在1.33×10-2Pa以下，这样，被蒸发的材料分子才不会受气体的碰撞甚至相互发生反应而影响蒸发效果，蒸发制备的膜纯度很高。在真空室内，有一个高熔点材料钨丝绕制的螺旋形加热器，钨丝上挂着待蒸发的金属丝，如金丝。蒸发成膜的具体方法是使用真空泵把真空室内的气压抽至1.33×10-2Pa以下，然后对钨丝通以大电流，加热待蒸发金属丝，当温度达到蒸发温度1-2千度之间，蒸发材料表面的原子或分子开始蒸发，离开材料表面，由于真空室内残留气体分子很少，蒸发原子或分子不经碰撞到达基片，凝结成膜。(2)溅射成膜溅射是材料表面受到具有一定能量的离子轰击而发射原子的现象，其基本原理是利用电场作用（用高电压，通常在1000V以上）将气体电离，正离子向阴极方向高速运动，撞击阴极表面后，将自己的能量传递给处于阴极的溅射材料，使溅射材料的原子或分子逸出，沉淀到阳极工作台上的基片上，形成薄膜。溅射方式有射频溅射、等离子溅射和反应溅射等多种，其中以射频溅射应用最为广泛。射频溅射是用高频交流电压进行溅射，最大优点是能溅射多种材料，如金属半导体材料，介质材料以及各种氮化物、氧化物等薄膜。射频溅射还具有溅射速度快、膜层致密、纯度高、膜与基片附着力强、厚度易于控制等特点。(3)化学气相淀积化学气相淀积法（ChemicalVaporDeposition,CVD）使含有待淀积物质的化合物升华成气体，与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在基底上而生成薄膜的方法。这种方法薄膜的生成率和性能取决于淀积时间、气体反应物的流量、反应温度、基底的表面状态和温度等因素。2光刻技术光刻技术是把设计好的图形转换到硅片上的一种技术。光刻技术包括紫外线光刻、X射线光刻、电子束光刻和粒子束光刻等。随着传感器的微型化要求，光刻操作对象图形特征尺寸越来越小，从而对光刻分辨率要求越来越高。当前的光刻技术，采用193nm曝光波长，可实现大于100nm线宽的图形。下一代光刻技术，*157nm曝光，小于50nm线宽图形。再下一代光刻技术，**126nm曝光。*德国的CarlZeiss公司美国的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、SVGL公司日本的尼康公司荷兰的ASML公司**德国的CarlZeiss公司美国的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室光刻技术——IC产业的关键技术0246810mm用AFM机械刻蚀原理刻写的亚微米尺寸的唐诗STM技术在Si(111)面上形成的“中国”字样。最邻近硅原子间的距离为0.4nm。纳米量级结构的制作是纳米技术的关键技术之一。我国SPM系统在Au-Pd合金膜表面上机械刻画出的最小线宽为25nm。3腐蚀加工技术该技术是形成微型传感器结构的关键技术之一。利用该技术能制造微型传感器和微型执行器的精密三维结构，且能和集成电路工艺兼容。根据腐蚀速率是否与硅的晶向有关，该方法分为各向同性和各向异性两种。各向同性腐蚀指腐蚀时在各个方向上的腐蚀速率相同。各向异性腐蚀表现为各个方向腐蚀速率不同，它与晶向、掺杂等各种因素有关。可对硅材料进行精细加工，制作复杂的敏感元件。根据腐蚀剂的相态，腐蚀方法可分为液相、气相和等离子态三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀方法又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离子态腐蚀称为干法腐蚀，这类腐蚀方法具有很高的分辨率和精度。在加工过程中，先生长一层氧化层作为光刻掩膜，(100)硅晶面表面氧化，并覆盖光敏胶形成图案，再浸入氢氟酸中，进行氧化层腐蚀；然后再将此片放入各向异性的腐蚀液中对晶面进行纵向腐蚀，腐蚀速率依赖于晶向，沿主晶面(100)的腐蚀速率最快，(111)面最慢。腐蚀出腔体的界面为(111)面，与(100)表面夹角为54.74度。4键合技术该技术是在微机械加工过程中将分开的部件连接在一起的技术。键合可以通过聚合物黏合剂、熔化玻璃、固体电解质、熔化合金等方法实现，但这些方法都会在硅片中产生热应力，不利于器件应用。目前采用的技术主要是静电键合技术和硅-硅直接键合技术。(1)静电键合技术

又叫阳极键合，主要用于硅与玻璃之间的封接，亦可将玻璃与金属、合金键合在一起，不用黏合剂，工艺简单，密封性好，强度可靠性高。静电键合机理是在强大的静电力作用下，将两个被键合的表面紧压在一起，在一定的温度下使硅与玻璃在界面处接近到分子级的距离而形成牢固永久性的分子键合，使两个表面牢固、均匀、密封地结合在一起。(2)硅-硅键合技术

是将硅片与硅片直接或通过一层薄膜（如SiO2）进行原子键合，实现硅一体化封装。主要有三个步骤：(a)对硅片表面进行化学处理；(b)预键合使两个硅片表面接触；(c)升高温度使临近原子间相互反应产生共价键并进行键合。键合后，两个原子单层的键合可以具有与其未键合时相同的电学性能和力学性能。采用硅-硅键合技术比静电键合技术优越。利用静电键合技术可将硅与玻璃等材料封接在一起，因所用材料的热膨胀系数不同，当温度降至室温时，键合面将产生应力，影响传感器和集成电路的性能。利用硅-硅键合技术，获得硅-硅键合界面，两者材料匹配，热膨胀系数和弹性系数相等，能消除因材料性能失配引起的应力；同时不需要电场，工艺简单，键合强度高，封装气密性好。这都有利于提高传感器的长期稳定性和温度稳定性。5X射线深层光刻电铸成型技术该技术又称LIGA，是德国Karlsruhe研究中心开发出来的，包括深层同步辐射X射线光刻(Lithography)、微电铸成型(Electroforming)和熟料铸模(Micromolding)3个重要环节。LIGA技术被用来进行高深宽比三维立体加工，被认为是进行三维微细加工最有前途的方法，可以加工多种金属材料，也可加工陶瓷、塑料等非金属材料。各种微加工技术比较该技术基本制作步骤是：(1)用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形；(2)利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具；(3)利用微塑铸制备各种材料的结构。其关键技术是深层光刻技术。一方面需要高强度、平行性很好的光源；另一方面抗蚀剂必须有良好的分辨率、机械强度、低应力，同时还要与基片黏附性好。六、研究热点当前，新型传感器和现代传感技术的研究热点主要集中在光传感器、化学传感器、生物医学传感器、MEMS传感器以及多传感器融合技术等。1光传感技术激光的出现和光电子技术的快速发展，同时光子特有的抗电磁干扰性质和光学传感器具有抗腐蚀、耐高温等特性，已广泛用于极端环境的信息提取、非接触精密测量、远程控制等。光传感器件种类众多，传感技术内容涵盖的范围甚广。主要有光波干涉传感器、光电传感器、光纤传感器、图像传感器以及计量光栅传感器，随着器件的发展和应用不断推广，已形成了各自相关的传感技术。光电传感器结构和形式多样，广泛应用于电子装置和电子设备系统中。光纤传感器具有抗电磁场干扰、高绝缘强度、耐高温、耐腐蚀、质轻、柔韧、能与数字通讯系统兼容等优点。应用：生产过程自动化控制、在线检测、故障诊断、安全报警等。图像传感器主要应用：航天遥感、天文、医疗和工业检测仪器目标识别、图像测量、侦查等各领域。基于光波干涉原理构筑的各类干涉系统，是目前超精密测量中应用最多的传感技术。计量光栅传感器：基于莫尔干涉条纹进行精密测量、定位与控制。应用：工业数控机床。高锟(CharlesKuenKao)

诺贝尔物理学奖得主

*Kao,C.K.,Hockham,G.A.(1966)Dielectric-fibreSurfaceWaveguidesforOpticalFrequencies.ProceedingsoftheInstitutionofElectricalEngineers-London113,p.1151.光纤之父

生于上海书香世家香港中文大学第三任校长

1996年当选中科院外籍院士有颗小行星名为“高锟星”能做前所未有的事，我感觉很满足爱光纤更爱太太，亲近家人宁当“阿四”2化学传感技术主要用于检测物质成分。基于仿真学研制开发的嗅觉传感器和味觉传感器，能识别各种气体成分和气味。这类对气体敏感的气敏传感器可广泛用于环境污染、食品卫生、医疗、有害气体、违禁物品的检测。3生物医学传感技术21世纪五大医学检测技术之一。是现代生物技术与微电子学、化学、光学、热学等多学科交叉结合的产物。其最新进展是由于生物芯片技术的兴起。基于生物芯片的生物医学传感器，在医学上的临床诊断、医学工程以及基因工程有着广泛应用前景，是未来生物医学传感器发展的重要方向。4MEMS传感技术MEMS(MicroElectroMechanicalsystems)传感技术所涉及的技术学科包括电子机械、IC、材料物理化学、生物、光学、流体等工程以及封装技术。MEMS传感器已从对高度复杂的单个传感器的模拟信号分析，转变为由微处理器控制的对传感器阵列信号组成的数字化处理研究。多个具有不同特性的多个传感器阵列与数据处理相结合，即电子鼻，将在工业、国防、环保以及人们生活中得到广泛应用。Thesoftcontactlenslikesensor,withitsMEMSantenna(goldenrings),itsMEMSsensor(silverringclosetotheouteredge),andmicroprocessor.Sensorplacedontheeye,centeredonthecorneawithnoelementsintheline由RoboticsDepartmentattheUniversityofEssex设计电池驱动机械鱼，将大量投入西班牙的Gijon河水质监控。这些成本达360,000,000美元的机械鱼将负责测试水中的溶氧量，检测河中的原油泄漏或者其他污染源，预计这些数据有助于我们理解全球暖化程度以及河水状态。http://dces.essex.ac.uk/staff/hhu/jliua/videogal.htm5多传感器融合技术近年来，多传感器数据融合技术已成为各相关学科研究的一个热点，在众多领域中得到了应用，并且不断有新的理论和应用方法问世。因为采用传感器融合技术，可实现综合考虑各传感器特性、解决相互干扰、优点共享，以及提高多传感器复合系统的性能、增强系统对周围环境情况的了解和判断的准确性。（二）现代检测技术目录一、传统检测的特点二、现代检测技术三、现代检测技术的含义和特征四、现代检测技术中常用的方法一、传统检测技术

检测技术的基本概念利用敏感元件或其它信息获取手段得到被测量的信息。检测是人类认识自然界、改造自然界的重要途径。传统的检测仪表或系统由敏感元件、信号放大与变换单元和显示装置等环节组成。敏感元件信号放大与变换显示装置被测参数敏感元件也称检测元件，其作用是感受被测参数并将被测参数的变化转换成另一种物理量的变化，以便进一步进行信息的变换和信息的显示。如铜电阻。由于敏感元件的输出信息一般都比较小或输出的信号通常不能直接被显示装置所接受，所以敏感元件的输出需经过必要的信号变化和信号放大，以保证信号的正常显示。显示装置可以是模拟指针式、数字式，还可是屏幕式。传统检测的特点被测变量与待测变量的统一。敏感元件所感受的被测变量就是要测量的量，即用单个传感器实现与之对应的一个参数的测量。被测变量的大小与传感器输出的统一。传感器的输出与被测变量有单值的、确定的函数关系，常常是线性关系，其他环境参数对传感器的输出几乎没有影响，或者明确的影响关系，或可用函数来描述。二、现代检测技术科学技术的不断发展社会的日益进步现代化生产的规模越来越大管理形式和方式趋于多样性对产品的产量和质量要求越来越高常规的检测参数、检测手段、检测仪表难以满足现代生产和生活的需求。一般的单参数测量一般的参数的量值测量确定性的测量相关多参量的综合自动检测参数的状态估计模糊的判断这些已成为当前检测领域中的发展趋势，正受到越来越广泛的关注，从而形成了各种新的检测技术和新的检测方法，这些技术和方法统称为现代检测技术。智能化虚拟化网络化微型化软测量技术现代检测技术发展趋势计算机虚拟仪器技术用PC机＋仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路三、现代检测技术的含义和特征现代检测技术是指采用先进的传感技术、信息处理技术、建模与推理等技术实现用常规仪表、方法和手段无法直接获取的对待测参数的检测。1.从待测参数的性质来看现代检测技术主要用于非常见的参数的测量，对于这些参数的测量目前还没有合适的传感器所对应，难以实现常规意义的“一一对应”的测量；另一种情况是待测参数虽然已有传感器，但测量误差比较大，受各种因素的影响较大，不能满足测量要求。2.从应用的领域(对象)来看现代检测技术主要用于复杂设备（对象）、复杂过程的影响性能质量等方面的综合性参数，如高速运动机械的故障