现代传感器技术概述

现代传感器技术概述2021/10/10星期日1基本情况课时：64学时，课堂56，实验8教材：传感器原理及应用，王雪文张志勇，北京航空航天大学出版社，2004年03月传感器原理、设计与应用，刘迎春,叶湘滨，国防科技大学出版社，2002（第4版）2021/10/10星期日2传感器概述一、传感器的定义二、传感器的分类三、传感器基础知识四、传感器的标定五、现代传感器的发展2021/10/10星期日3传感器应用领域传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容航空,航天,航海机器人技术生物医学和医疗器械民用设施汽车工业2021/10/10星期日4一、传感器的定义2021/10/10星期日5传感器的基本组成2021/10/10星期日6传感器定义（1）传感器是换能器的一种,换能器（transducer)是将能量从一种形式转换为另一种形式的装置。换能器包括传感器和执行器两方面含义。图1-1表示的是:传感器与执行器系统的基本组成图1-12021/10/10星期日7传感器定义（2）广义地可以把传感器归结为一种能感受外界信息（力，热、声、光、磁、气体、化学、生物、湿度等），并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置根据中华人民共和国标准（GB7665-87），传感器（Transducer/Sensor)的定义是：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。通常传感器由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件（sensingclement)是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件（Transductionelement）是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。2021/10/10星期日8二、传感器的分类2021/10/10星期日9传感器的分类（1）1、按工作机理分类结构型传感器是按物理学中场的定律定义的，这些定律包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这些定律一般是以方程式给出的，所以这些方程式也就是许多传感器工作时的数学模型。其特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性的变化为基础。2021/10/10星期日10按工作机理分类物性型传感器物性型传感器是按照物质定律定义的，如胡克定律、欧姆定律等。由于物质定律是表示物质某种客观性质的法则，因此物性型传感器的性能随着材料的性质不同而异。例如：光电管就是物性型传感器，它按照物质法则中的外光电效应，其特性与电极涂层材料的性质密切相关。复台型传感器由结构型和物性型组合而成、兼有两者待征的传感器，称为复合型传感器。2021/10/10星期日11传感器的分类（2）2、从电路供电方式来分，可分为：无源传感器无源传感器也叫能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外部电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应构成的传感器都属于无源传感器。有源传感器有源传感器也叫能量控制型传感器，在信息变化过程中，其能量需要外部电源供给。如电阻、电容、电感等电路参量传感器和基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器均属于有源传感器。2021/10/10星期日12按原理分类的传感器电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式传感器。磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式传感器。压电式传感器：压电式力传感器，压电式加速度传感器，压电式压力传感器。光电式传感器：红外式、CCD摄像式、光纤式、激光式传感器等。气电式传感器：半导体气体传感器，集成复合型气体传感器。热电式传感器：热电偶等。波式传感器：超声波式、微波式传感器。射线式传感器：核辐射物位计，厚度计，密度计等。半导体式传感器：半导体温度传感器，半导体湿度传感器等。其他原理的传感器。2021/10/10星期日13按用途分类的传感器温度传感器；光敏传感器；力敏传感器；磁敏传感器；气体传感器；湿度传感器声敏传感器；流量传感器；生物传感器其它传感器等2021/10/10星期日14传感器的分类（3）3、按人类的感觉功能进行分类：视觉，听觉，嗅觉，味觉，触觉五类传感器4、按制备传感器材料进行分类：半导体，金属，陶瓷，光纤，高分子，生物2021/10/10星期日15三、传感器基础知识2021/10/10星期日16传感器基础知识（1）传感器的基本特性传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间关系的特性，即输出—输入特性,分为静态特性和动态特性。如果把传感器看作二端口网络,即有两个输入端和两个输出端,那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。2021/10/10星期日173.1、传感器静态特性2021/10/10星期日18传感器静态特性（1）静态特性：指对于静态的输入信号，传感器的输入量与输出量之间所具有的相互关系。此时的输入信号与时间无关，输出量与时间无关，输出与输入之间的关系可用一个不含时间的方程来表示：2021/10/10星期日19线性度线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近的一个性能指标，静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中,为了标定和数据处理的方便,希望得到线性关系,因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理,从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时,可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段。所采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度）,通常用相对误差表示,即

△Lmax——实际曲线和拟合直线间的最大偏差YFS——满量程输出2021/10/10星期日20图1-2几种直线拟合方法

(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合

从图1-2中可见,即使是同类传感器,拟合直线不同,其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多。不同拟合方式得到的结果不相同,在实践中应选择使用。2021/10/10星期日21不同的拟合方式图a中，理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。该方法十分简单，但一般说△Lmax较大。图b为过零旋转拟合，常用于曲线过零的传感器。拟合时，使，这种方法也比较简单，非线性误差比前一种小很多。图c中，端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线。这种方法比较简便，但△Lmax也较大。图d端点平移拟合中在图c基础上使直线平移，移动距离为原先△Lmax的一半，这样输出曲线分布于拟合直线的两侧，，与图c相比，非线性误差减小一半，提高了精度。2021/10/10星期日22测量范围每一个传感器都有一定的测量范围，如果在超过了这个范围进行测量时，会带来很大的测量误差，甚至于将其损坏。一般测量范围确定在一定的线性区域或者保证一定寿命的范围内。在实际应用时，所选择传感器的测量范围应大于实际的测量范围，以保证测量的准确性和延长传感器及其电路的寿命2021/10/10星期日23传感器静态特性（2）迟滞将在相同工作条件下进行全测量范围测量时正行程和反行程输出的不重合程度称为迟滞或滞后。传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的,例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞大小通常由实验确定。YFS——满量程输出△HMAX——正反量程最大输出偏差图1-3迟滞特性2021/10/10星期日24传感器静态特性（3）重复性用于描述在同一工作条件下输入量按同一方向在全量程范围内连续多次重复测量所得特性曲线的不一致性（波动性）△Rmax是正反量程最大重复性偏差或用同一输入量N次测量的标准偏差δ与满量程的百分比表示。图1-4重复特性2021/10/10星期日25传感器静态特性（4）灵敏度用传感器在稳定工作时的输出量变化（△Y)对输入量（△X)的比值：对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率,即S=Δy/Δx为常数,而非线性传感器的灵敏度为一变量,用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度如图所示图1-5灵敏度2021/10/10星期日26分辨力描述传感器可以感受到的被测量最小变化的能力。一般各个输入点能分辨的范围不同，人们将用满量程中使输出阶跃变化的输入量中最大的可分辨范围作为衡量指标。在传感器零点附近的分辨力称为閾值图1-6分辨力2021/10/10星期日27传感器静态特性（5）温度稳定性一般用温度系数来描述温度引起的这个误差，表示为：Y1,Y2分别为温度T1、T2时的输出值，△T=T2-T1。2021/10/10星期日283.2、传感器动态特性2021/10/10星期日29传感器的动态特性（1）传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当传感器的输入量随时间变化时，其输出量的响应特性就是动态特性。当被测量随时间变化,是时间的函数时,则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。一个动态特性好的传感器,其输出将再现输入量的变化规律,即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外,输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。2021/10/10星期日30动态输入信号2021/10/10星期日31为了说明传感器的动态特性,下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下,都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）,这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t,而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t℃需要经历一段时间,即有一段过渡过程,如图1-9所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。2021/10/10星期日32图1-7动态测温2021/10/10星期日33造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因,是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻,使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的,这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有,只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外,还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时,通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。2021/10/10星期日34时域分析法传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来分析传感器的动态性能指标。2021/10/10星期日35传感器的动态特性（2）阶跃响应当输入为阶跃函数时，则传感器的响应函数Y(t)分为两个响应过程，一个是从初始状态到接近终态之间的过程，即动态过程（又称为过渡过程），t趋于无穷时，输出基本稳定，称为稳态过程。如图所示。图1-8阶跃输入与响应2021/10/10星期日36一阶传感器瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时,有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法,传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。

1)一阶传感器的单位阶跃响应在工程上,一般将下式:2021/10/10星期日37

视为一阶传感器单位阶跃响应的通式。式中x(t)、y(t)分别为传感器的输入量和输出量,均是时间的函数,表征传感器的时间常数,具有时间“秒”的量纲。一阶传感器的传递函数：

对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号

0t≤01t>0时,由于x(t)=1(t),x(s)=,传感器输出的拉氏变换为

Y(s)=H(s)X(s)=x(t)=2021/10/10星期日38一阶传感器的单位阶跃响应信号为

y(t)=1-e-

相应的响应曲线如图1-9所示。由图可见,传感器存在惯性,它的输出不能立即复现输入信号,而是从零开始,按指数规律上升,最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值,但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%,可以认为已达到稳态。τ越小,响应曲线越接近于输入阶跃曲线,因此,τ值是一阶传感器重要的性能参数。

2021/10/10星期日39图1-9一阶传感器单位阶跃响应2021/10/10星期日40

2)二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应的通式为

式中:ωn——传感器的固有频率;ξ——传感器的阻尼比。二阶传感器的传递函数:

H(s)=

2021/10/10星期日41传感器输出的拉氏变换:

H(s)=H(s)X(s)=

从图1-10，二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比ξ和固有频率ωn。固有频率ωn由传感器主要结构参数所决定,ωn越高,传感器的响应越快。当ωn为常数时,传感器的响应取决于阻尼比ξ。图1-10为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。阻尼比ξ直接影响超调量和振荡次数。ξ=0,为临界阻尼,超调量为100%,产生等幅振荡,达不到稳态。>1,为过阻尼,无超调也无振荡,但达到稳态所需时间较长。ξ<1,为欠阻尼,衰减振荡,达到稳态值所需时间随ξ的减小而加长。ξ=1时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整,ξ取0.7～0.8为最好。2021/10/10星期日42图1-10二阶传感器单位阶跃响应2021/10/10星期日43阶跃响应过渡过程中的特性参数时间常数τ:指输出量从0上升到稳态Y(∞)的63%所需的时间上升时间tr:指从稳态值Y(∞)的10%上升到90%所需的时间。它表示传感器的响应速度，tr小时，表明传感器对输入的响应速度快。响应时间ts:从输入量开始到输出进入稳定值的允许误差范围（±1%或2%）内所需的时间，也能表示响应速度。振荡次数N:是指输出量在稳态值Y(∞)上下振荡的次数，N越小，表明稳定性越好。稳态误差e：是指响应的实际值Y(∞)与期望值之差，它反映稳态的精确程度。2021/10/10星期日44频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性．称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。传感器对正弦输入信号X(t)=Asin(ωt),的响应特性,称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。2021/10/10星期日45频率响应（1）零阶传感器的数学模型，a0和b0是传感器的系数，b0/a0是静态灵敏度一阶传感器的数学模型，a0

，a1和b0是传感器的系数，b0/a0是静态灵敏度2021/10/10星期日46频率响应（2）n阶传感器系统的数学模型若输入信号为正弦波X(t)=Asin(ωt),经过拉氏变换频率传递函数的模为输出与输入的幅值之比B/A，它与角频率ω的关系被称为幅频特性。输出与输入的相位之差与频率关系称为相频关系。2021/10/10星期日47

2.频率响应特性传感器对正弦输入信号X(t)=Asin(ωt),的响应特性,称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。1)一阶传感器的频率响应将一阶传感器的传递函数中的s用jω代替后,即可得频率特性表达式,即

幅频特性相频特性Φ(ω)=-arctan(ωτ)

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从式两式和图1-11看出,时间常数τ越小,频率响应特性越好。当ωτ<<1时,A（ω）≈1,Φ（ω）≈0,表明传感器输出与输入为线性关系,且相位差也很小,输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。因此,减小τ可改善传感器的频率特性。

图1-11一阶传感器的频率响应特性曲线2021/10/10星期日492)二阶传感器的频率响应二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为2021/10/10星期日50

图1-12为二阶传感器的频率响应特性曲线。从上述诸式和图1-12可见,传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率ωn和阻尼比ξ。当ξ<1,ωn>>ω时,A（ω）≈1,Φ（ω）很小,此时,传感器的输出y(t)再现了输入x(t)的波形。通常固有频率ωn至少应大于被测信号频率ω的3～5倍,即ωn≥（3～5）ω。为了减小动态误差和扩大频率响应范围,一般是提高传感器固有频率ωn。而固有频率ωn与传感器运动部件质量m和弹性敏感元件的刚度k有关,即ωn=（k/m）1/2。增大刚度k和减小质量m可提高固有频率,但刚度k增加,会使传感器灵敏度降低。所以在实际中,应综合各种因素来确定传感器的各个特征参数。2021/10/10星期日51图1-12二阶传感器频率响应特性2021/10/10星期日52

3)频率响应特性指标(1)频带传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带,对应有上、下截止频率。(2)时间常数τ用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小,频带越宽。(3)固有频率ωn二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。2021/10/10星期日53传感器的标定传感器的动静态标定是利用一定等级的仪器及设备产生已知的非电量(如标准压力、加速度、位移等)作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量。然后将传感器的输出量与输入量作比较，从而得到一系列曲线(称为标定曲线)。通过对曲线的分析处理，得到其动静态特性的过程。2021/10/10星期日54传感器的标定传感器技术参数的具体数值是通过实验确定的。例如，传感器的精度指标如采用式精度公式计算，则必须首先得到传感器的线性度、滞后及重复性指标。由于这三个指标都是通过对具体的实验曲线进行分析得到的，因此有可能发生的一种情况是：某传感器可能线性好、滞后小且重复性高，但其输出却难以反映出输人量的变化情况。一个极端的例子（如图所示）如由于某种原因导致传感器的输出线与地短路，输出曲线自然在线性度、滞后、重复性等方面非常理想，但却无法用作传感器。因此，传感器的标定方法及标定过程等方面的设计非常重要。2021/10/10星期日55传感器的标定所谓传感器的标定，就是利用已知的输人量输人传感器，测量传感器相应的输出量，并进而得到传感器输人输出特性的过程。2021/10/10星期日56传感器的静态特性标定传感器的静态标定主要是检验、测试传感器的静态特性指标，如静态灵敏度、非线性、迟滞、重复性等。静态特性标定的标准是在静态标推条件下进行的。静态标定条件是指没有加速度、振动、冲击(除非这些量本身就是被测物理旦)；环境温度一般为20±5℃；相对湿度不大于85％；大气压力为101.3±8kPa时的情况。2021/10/10星期日57压电式压力传感器静态特性的标定压电式压力传感器安装在图所示的静重式标准活塞式压力计的接头上，传感器配接静态标准电荷放大器及显示仪。标定过程可采用加载法和卸载法。2021/10/10星期日58标定过程1．将传感器、仪器连接好：2．将传感器全量程(测量范围)分成为若干等分点，用法码加载，施加载荷时注意要尽量做到均匀加载，不要引起冲击。记录仪显示传感器在某一点的输出最大值并保持一定的时间，然后记录下来。依次一点一点加载至满量程，依次一点一点记录标定传感器的输出值；3．按上述过程，对传感器进行多次往复循环测试，将得到输出一输入测试数据组，用表格列出或画成曲线：4．对数据进行必要的处理，根据处理结果就可以得到传感器的灵敏度、线性度、重复性、迟滞等静态特性指标。对于不同原理的压力传感器静态标定的方法与压电式压力传感器的方法基本相同，只是不同原理的传感器，配用不同的二次仪表。2021/10/10星期日59传感器的动态标定传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应特性即频率响应、时间常数、固有频率、和阻尼比等。压力传感器的动态标定方法有正弦激励法、半正弦激励(落球、落锤冲击)法和阶跃压力激励法。上述三种方法是目前标定压力传感器的主要方法。本节仅介绍用激波管产生阶跃压力信号的方法。它具有压力幅值范围宽、频率范围广、便于分析研究和数据处理的特点。2021/10/10星期日60激波管法校准压力传感器激波管是测定压力传感器频率响应特性的最常用的方便而简单的设备。激波管校准传感器动态特性的基本原理是：用激波管产生的阶跃压力来激励被校压力传感器，并用适当的设备记录在这一阶跃压力激励下被校传感器所产生的瞬时响应，根据其过渡过程曲线，运用适当的计算方法，求得被校压力传感器的频率响应特性2021/10/10星期日61激波管法校准压力传感器动态特性系统图2021/10/10星期日62传感器典型应用2021/10/10星期日63四、现代传感器的形状和发展2021/10/10星期日64传感器技术现状虽然传感器有很长的发展历史，可以说，自从有了检测仪器就有了传感器，然而在相当长的时间里，传感器技术在现代科学技术中处于一种从属地位。直到集成电路、计算机技术得到飞速发展后，人们才惊讶地发现，作为信息获取的关键部件——传感器技术的发展远落后于其他信息技术，成为了现代信息技术发展的瓶颈。有人形象地称这种局面为“大脑发达、五官不灵”。传感器技术自此得到普遍重视。目前，传感器技术已经成为当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术共同构成信息产业的三大支柱。2021/10/10星期日65国外发展传感器技术受到普遍重视始于20世纪80年代，在世界范围内掀起了一股“传感器热”。美国早在20世纪80年代初就成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。与美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关，而维挎美国武器系统质量优势至关重要的关键技术中有8项为传感器技术。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视，把传感器技术与计算机、通信、激光、半导体、超导并列为国家重点发展的六大核心技术。日本科学技术厅制定的20世纪90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项与传感器技术密切相关。2021/10/10星期日66市场正是由于世界各国的普遍重视和投人开发，传感器发展十分迅速，在近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10％以上。有人统计，2000年，世界传感器市场总额约达700亿美元，其中美国、欧洲、日本分别达到150亿、100亿、80亿美元。2021/10/10星期日67现代传感器发展方向-传统技术的改进途径稳定性处理。为提高传感器产品性能的稳定性，应对材料、元器件进行时效处理、冰冷处理、时间老化处理、温度老化处理、机械老化及交流稳磁处理，电器元件必须进行电老化筛选处理。补偿和修正技术。根据传感器的特性找出误差的来源和变化规律，可采用补偿和修正技术进行补偿和修正。对于系统误差，由于补偿和修正的技术手段比较完善，因此通过补偿和修不技术．大多数情况下可以满足性能指标。平均技术。采用平均技术可产生平均效应，仪器误差减小并增加传感器的灵敏度。2021/10/10星期日68现代传感器发展方向-传统技术的改进途径屏蔽、隔离与抗干扰。因外部环境而产生的随机误差和干扰，可通过屏蔽、隔离技术减小。采用屏蔽、隔离、滤波等方法能有效地消除或减小电磁波干扰。采用有效的隔离技术进行分离和抑制，对温度、湿度、气压、声压、辐射、气流等干扰，其效果都是很明显的。差动技术。差动技术对抑制共模信号干扰、具有很好的效果，是目前传感器普遍采用的技术。2021/10/10星期日69传感器技术的创新传感器技术的主要发展动向一是传感器本身的基础研究二是跟微处理器组合在一起的传感器系统的研究。前者是研究新的传感器材料和工艺，发现新现象；后者是研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，向传感器的智能化、集成化发展。2021/10/10星期日70传感器技术的创新-发现新现象传感器的工作机理是基于各种效应、反应和物理现象的。重新认识如压电效应、热释电现象、磁阻效应等已发现的物理现象以及各种化学反应和生物效应，并充分利用这些现象与效应设计制造各种用途的传感器，是传感器技术领域的重要工作。同时还要开展基础研究，以求发现新的物理现象、化学反应和生物效应。各种新现象、反应和效应的发现可极大地扩大传感器的检测极限和应用领域。例如，利用核磁共振吸收的磁传感器能检测10-7T的地球磁场强度，利用约瑟夫逊效应的磁传感器(SQuID)能检测10-11T的极弱磁场强度：又如利用约瑟夫逊效应热噪声温度计，能检测10-6K的超低温。值得一提的是，检测极微弱信号传感器技术的开发，不仅能促进传感器技术本身的发展，甚至能导致一些新的学科的诞生，意义十分重大。2021/10/10星期日71传感器技术的创新-开发新材料随着物理学和材料科学的发展，人们已经在很大程度上能够根据对材料功能的要求来设计材料的纽分，并通过对生产过程的控制，制造出各种所需材料。目前最为成熟、先进的材料技术是以硅加工为主的半导体制造技术。例如，人们利用该项技术设计制造的多功能精密陶瓷气敏传感器有很高的工作温度，弥补了硅(或锗)半导体传感器温度上限低的缺点，可用于汽车发动机空燃比控制系统，大大地扩展了传统陶瓷传感器的使用范围。有机材料、光导纤维等材料在传感器上的应用，也己成为传感器材料领域的重大突破，引起国内外学者的极大关注。2021/10/10星期日72传感器技术的创新-采用微细加工技术将硅集成电路技术加以移植并发展，形成了传感器的微细加工术。这种技术能将电路尺寸加工到光波长数量级，并能形成低成本超小型传感器的批员生产。微细加工技术除全面继承氧化、光刻、扩散、淀积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术、各向异性腐蚀、固相键合[艺和机械切断技术。利用这些技术对硅材料进行三维形状的加工，能制造出各式各样的新型传感器。例如，利用光刻、扩散上艺己制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺己制造出快速响应的气敏、湿敏传感器等。日本横河公司综合利用微细加工技术，在硅片上构成孔、沟、棱锥、半球等各种形状的微型机械元件，并制作出了全硅谐振式压力传感器。2021/10/10星期日73传感器技术的创新-智能化“电五官”与“电脑”的结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解拆、统计处理及自诊断、自校淮、自适应地等功