第1章前言及传感器技术的现状及发展

1《传感技术》总学时：32任课教师：黄文2

主要参考资料蒋亚东，谢光忠编著.敏感材料与传感器.电子科技大学出版社，2008年。刘迎春，叶湘滨等著.现代新型传感器原理与应用.国防工业出版社，2000年5月。张福学著，现代压电学.科学出版社，2002年6月。作业4次,每2章(前8章范围)一次作业。3考试方式考核方式：闭卷笔试成绩评定：平时考核成绩（30%）期末考试成绩（70%）4先修课程固体物理学半导体物理学(?)

光学原理

(?)5联系方式黄文Email:uestchw@

办公室地址：211-12106第1章传感器技术研究现状及发展第2章传感器的基本特性第3章应变式传感器第4章温度传感器第5章压电式传感器第6章压阻式传感器第7章新型红外传感器第8章新型气体传感器及阵列第9章电子聚合物基湿度传感器主要内容7第一章

传感器技术研究现状及发展

8信息技术的三大支柱传感技术采集信息通信技术计算机技术传输信息处理信息作用作用作用9一、传感器与传感器技术二、传感器的组成、分类及发展趋势三、传感器技术的特点及发展动向四、传感器的基本要求五、传感器研究热点与方法第1章传感器技术的现状与发展传感技术的大背景10一、传感器与传感技术什么叫传感器？什么叫传感器技术？思考：汽车飞机传感器类型与数量11Autopilot自动辅助驾驶如何感知高度?12一般非电量电测法传感系统的组成13非电量电测法测试系统的各部分的作用

1.

传感器(Transducer/Sensor)能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换电路组成.2.

中间电路将传感器输出的微弱电信号进行再次变换、放大、衰减、滤波、调制和解调等，使它们成为便于显示、记录或进行数据处理的信号。143.显示与记录器将中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。4.

驱动装置产生人为驱动信号，是被测对象处于人为的工作状态下，把内部特性表现得更明显。5.标定装置产生标准输入以便用实验的方法来得到被测量与显示记录之间准确地量的关系。15什么叫传感器？转换电路物理信息化学信息生物信息电信号光信号敏感元件传感器敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分转换电路指传感器中能将敏感元件输出转换为适合于传输和测量的电信号部分国家标准GB7665-87，对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换电路组成。16传感器满足定律守恒定律：包括能量,动量,电荷量等守恒定律场的定律：包括动力场的运动定律,电磁场的感应定律等,其作用与物体在空间的位置及分布状态有关物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律,如虎克定律,欧姆定律等通常以这种物质所固有的物理常数加以描述.统计法则：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则.这些法则常与传感器的工作状态有关.17传感器实例18被测量敏感元件传感元件信号调节转换电路辅助电源电量19例：应变式力传感器

20什么是传感器技术？材料学物理化学生物学电子学电路与系统机械传感器技术传感检测原理传感器件设计传感器开发和应用21传感器技术传感器技术是一个汇聚物理,化学,材料,器件,机械,电子,生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理,传感器件设计,传感器开发和应用的综合技术。22传感器应用领域工业自动化农业现代化军事工程航天技术机器人技术资源探测海洋开发环境监测安全保卫医疗诊断家用电器23智能机器人●

视觉感应器●水平感应器：由红外线感应器和CCD摄像机构成●超音波感应器：以音波测量3m范围内的物体●陀螺仪和加速度检测仪

24各国对传感器的重视程度美国西欧中国尤里卡计划八五-〉十三五白宫计划脑计划25二、传感器的组成、分类及发展趋势传感器的基本构成型式传感器的分类传感器的发展趋势26传感器的基本构成型式自源型带激励源型外源式相同传感器的补偿型差动结构补偿型不同传感器的补偿型27传感器的基本构成（6种）自源型－为仅含转换元件的最简单，最基本的传感器构成型式特点：①不需要外能源；②其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量电效应；③输出能量较好例：热电偶，压电器件等敏感元件输入输出自源型（61）28传感器的基本构成（6种）带激励源型－为转换元件外加辅助能源构成的型式辅助能源：起激励作用,可以是电源也可以是磁源特点：需要变换(测量)电路即有较大的电量输出例:某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器敏感元件辅助能源输入输出带激励源型（62）29传感器的基本构成（6种）由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成它必须通过带外电源的变换(测量)电路.才能获得电量输出.外源式（63）转换电路输出敏感元件电源输入特点30传感器的基本构成（6种）采用两个原理和特性完全相同的转换元件，并置于同一环境中作用：其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过线路，使后者消除前者的环境干扰影响。这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中常被采用。相同传感器的补偿型（64）敏感元件敏感元件输入输出环境量31传感器的基本构成（6种）它也采用了两个原理和特性完全相同的转换元件，同时接收被测输入量，并置于同一环境中。巧妙的是，两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，通过变换（测量）电路使有用输出量增加，干扰量相消。如压差传感器差动结构补偿型（6

5）敏感元件敏感元件电源输出输入环境量（转换电路）＋－32传感器的基本构成（6种）采用两个原理和性质不相同的转换元件，且不一定置于同一环境处，其中一个接受信号，并已知其受环境影响的特性，另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号如采用热敏元件的温度补偿，采用压电补偿片的温度和加速度干扰补偿等。不同传感器的补偿型（66）敏感元件敏感元件电源输出输入环境量转换电路33传感器的分类分类方法说明举例按输入量分类传感器以被测物理量分类，也即按用途分类，便于用户选择。位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等按工作原理分类（变换原理）传感器以工作原理命名，便于生产厂家专业生产。应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按物理现象分类（信号变换特征）结构型传感器依赖其结构参数变化实现信息转换电容式传感器：利用电容极板间隙或面积的变化

C物性型传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换压电式传感器：压电效应，力电荷热电偶：热电效应按能量关系分类能量转换型传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量温度计：吸收被测物的能量磁电式：线圈切割磁力线感应电势能量控制型由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量电容传感器：需外部供电，使x(t)C电流或电压按输出信号分类模拟式输出量为模拟量数字式输出量为数字量34常用分类方法传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。物理型传感器分为物性型传感器和结构型传感器，物性型传感器基于某些功能材料本身具有的内在特性及效应感受被测量。结构型传感器以敏感结构具有的特定的物理规律来感受被测量。化学传感器利用电化学反应原理来感受物质的成分、浓度。常用的是离子敏传感器，利用离子选择性电极，测量溶液的pH值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质，由其对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置，由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。35温度传感器36离子感烟器37明火探测器38气体传感器39薄膜SnO2气敏

传感器结构厚膜SnO2气敏传感器结构40光电耦合阵列传感器(1）41非致冷红外传感器（2）42柔性电生传感器超柔电子器件与动物大脑的高效集成的可能性仿表皮电子器件，展现与人体皮肤自然粘附及柔性射频的可能性（NatureMaterials9:511-517,2010）（Science333,838-843,2011）43三、传感器技术的特点及发展动向传感器技术的特点传感器技术的发展动向44传感器技术的特点涉及多学科与技术，包括材料科学、精密机械、微电子、微机械加工工艺、材料力学、弹性力学、计算机技术、物理学、生物化学、测试技术等。品种繁多，被测参数包括热工量、电工量、化学量、物理量、机械量、生物量、状态量等。应具有高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞、快响应和良好的环境适应性。应用领域广泛，无论是高新技术，还是传统产业，都需要应用大量的传感器。应用要求千差万别，有的量大面广，有的专业性很强；有的要求高精度，有的要求高稳定性，有的要求高可靠性；有的要求耐振动，有的要求防爆，等等。发展相对缓慢。但一旦成熟，其生命力强，如应变式传感技术已有70年的历史，目前仍然占有重要的地位。451.新材料、新功能的开发应用

2.微机械加工工艺的发展

3.传感器的多功能化发展

4.传感器的智能化、网络化发展传感器技术的发展动向461.新材料、新功能的开发应用此外，一些化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、形状记忆合金材料等在传感器技术中得到了成功地应用。半导体硅材料石英晶体材料功能陶瓷材料其他材料472.微机械加工工艺的发展平面电子加工工艺技术固相键合工艺技术机械切割技术整体封装工艺技术微机械加工工艺483.传感器的多功能化发展一种同时检测Na+、K+和H+离子的传感器一种多功能气体传感器能够同时测量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四种气体494.传感器的智能化发展传感器微处理器+智能化传感器有线智能传感器及网络无线智能传感器及网络50《我国将制定24项传感器国家新标准》中国信息产业网2015.05.20

随着新一轮工业革命的兴起，传感器产业市场前景不可估量。工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师郭源生指出，未来5年内，全球传感器年复合增长率预计将超过10%。2015年全球市场规模将达到1770亿美元，受可穿戴、智能制造技术发展加快和全球经济复苏等因素影响，市场需求可能出现更大幅度增长。与巨大的市场需求相比，现阶段我国市场主要应用的传感器绝大部分仍然依赖进口，主流市场产品依赖国外配套的情况尤为突出。与国外相比，我国企业在产品品质、工艺水平、生产装备、企业规模、市场占有率和综合竞争能力等方面仍不能与国外同类企业抗衡。同国际先进水平相比，新品研制仍落后5~10年，而产业化规模生产技术工艺则落后10~15年。51

智能传感器的定义及功能智能传感器的定义

目前，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，就是带微处理器的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆与逻辑判断功能的传感器。

52

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。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。

需要指出，这里讲的“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“集成智能传感器”或者“单片智能传感器”

2）传感器能够协同微处理器进行工作，即“传感器的智能化”。二者均属于智能传感器，虽然技术实现上有不同，但是对基本原理进行理解时不用区别。

53

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。最近，该公司还相继开发出ST3000－900/2000等系列的新产品，使之功能进一步完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在全世界的销量已突破50万只，深受广大用户的青睐。

54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。

55

2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，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，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。

56

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，能直接与微处理器或单片机通信。

574智能传感器的应用

多路智能温度控制器智能微尘传感器

生物芯片58图Pentium4处理器芯片

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，在芯片中还有内置数字温度传感器。59随着Pentium4处理器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。

2010年，美国ADI公司专门开发出适配Pentium4处理器的ADT7460型智能化远程散热风扇控制器集成电路，并已用于奔腾4计算机产品中。

60

奔腾4计算机的散热控制电路。该计算机中共使用了3台散热风扇。其中，风扇1专门给CPU散热，风扇2和风扇3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。61配套软件日臻完善温度传感器＋专用计算机测试软件。62634.2智能微尘传感器

智能微尘（SmartMicroDust）是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。

64

目前，直径约为1mm的智能微尘已经问世，智能微尘的外形及内部结构如图所示。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射信息。智能微尘的外形及内部结构a）肉眼所看到的智能微尘b）智能微尘的内部结构

65

智能微尘还可以“永久”使用，因为它不仅自带微型薄膜电池，还有一个微型的太阳能电池为它充电。最近，美国英特尔公司制定了基于微型传感器网络的新型计算机的发展规划，也将致力于研究智能微尘传感器网络的工作。66

4.3生物芯片西门子公司最近研制出一种能辨别气体及其味道的微型芯片传感器，可检测空气中臭氧含量，监测火灾以及气体泄漏。67

生物传感器系统亦称生物芯片，它是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科技革命。生物芯片不仅能模拟人的嗅觉（如电子鼻）、视觉（如电子眼）、听觉、味觉、触觉等，还能实现某些动物的特异功能（例如海豚的声纳导航测距，蝙蝠的超声波定位，犬类极灵敏的嗅觉，信鸽的方向识别，昆虫的复眼）。生物芯片的效率是传统检测手段的成百、上千倍。

68

德国英飞凌（Infineon）公司最近开发出具有活神经细胞、能读取细胞所发出电子信息的“神经元芯片”，芯片上有16384个传感器，每个传感器之间的距离仅为8μm。当人体受到电击时，利用它可获取神经组织的活动数据，再将这些数据转换成彩色图片。

69传感器敏感机理敏感材料选择结构设计工艺优化五、传感器研究方法70传感器研究思路研究传感器，首先得从研究敏感材料入手，研究敏感材料对外界物理、化学变化的敏感特性，包括响应时间，变化规律，以及外界其他物理、化学环境变化对敏感材料敏感特性的影响设计合适的传感功能结构。考虑将敏感材料镀在什么样的器件结构上才使得敏感材料能够发挥好其敏感特性制备工艺的研究后端对信号的处理电路，包括放大电路、滤波电路等。71六、电子科