202006-第1章-绪-论【传感器技术案例教程】

传感器技术案例教程

樊尚春教授编排2019-06“十三五”国家重点出版物出版规划项目，卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材，机械工业出版社，2020.01传感器技术案例教程

第1章绪论第1章绪论1.1传感器的作用实例分析1.2传感器的分类

1.3传感器技术的特点1.4传感器技术的发展

1.5学习建议

1.1传感器的作用实例分析实例1：电位器式真空膜盒压力传感器(potentiometerpressuretransducer)电位器式真空膜盒压力传感器真空膜盒压力敏感元件压力

→

膜盒位移

→

电位器电刷（通过传动机构）→

输出电压(第1章绪论)

1.1传感器的作用实例分析实例1：电位器式真空膜盒压力传感器(potentiometerpressuretransducer)电位器式真空膜盒压力传感器实物图真空膜盒压力敏感元件(第1章绪论)

1.1传感器的作用实例分析实例2：谐振筒式压力传感器(resonantcylinderpressuretransducer)谐振筒式压力传感器谐振筒压力敏感元件(第1章绪论)

压力

→

谐振筒应力

→

谐振筒等效刚度

→

谐振筒固有频率

1.1传感器的作用实例分析实例2：谐振筒式压力传感器(resonantcylinderpressuretransducer)谐振筒式压力传感器实物图谐振筒压力敏感元件(第1章绪论)

1.1传感器的作用实例分析实例3：热激励硅微结构谐振式压力传感器一次敏感元件：方形平膜片，直接感受压力，将压力转换为膜片应变与应力；热激励微结构谐振式压力传感器的敏感结构示意图(第1章绪论)

二次敏感元件：硅梁，制作于膜片上表面，感受膜片应力，并转换为谐振频率变化，测量压力

1.1传感器的作用实例分析实例3：热激励硅微结构谐振式压力传感器硅微结构谐振式压力传感器敏感结构实物图感元件(第1章绪论)

热激励微结构谐振式压力传感器的敏感结构示意图

1.1传感器的作用实例分析实例4：石墨烯谐振式压力传感器新型石墨烯谐振式压力传感器原型示意单晶硅方形平膜片为一次敏感元件，直接感受压力；方平膜片上的双端固支石墨烯梁谐振子(DEGB：DoubleEndedclampedGrapheneBeamresonator)为二次谐振敏感元件间接感受压力(第1章绪论)

1.1传感器的作用实例分析复合敏感差动检测石墨烯谐振式压力传感器原理A类两个DEGB：分别设置于压力最敏感区和弱敏感区；(第1章绪论)

1.1传感器的作用实例分析复合敏感差动检测石墨烯谐振式压力传感器原理A类两个DEGB：分别设置于压力最敏感区和弱敏感区；(第1章绪论)

B类两个DEGB：分别设置于压力正向最敏感区和负向最敏感区；

温度对两个DEGB谐振频率影响规律相同，差动检测

1.1传感器的作用实例分析实例1：电位器式真空膜盒压力传感器(potentiometerpressuretransducer)实例2：谐振筒式压力传感器(resonantcylinderpressuretransducer)实例3：热激励硅微结构谐振式压力传感器实例4：石墨烯谐振式压力传感器以上四个实例，充分说明传感器直接的作用与功能就是测量。(第1章绪论)

1.1传感器的作用实例分析国家标准GB/T7665-2005对传感器(transducer/sensor)定义：能感受被测量并按一定的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元件组成。敏感元件(sensingelement)，指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件(transducingelement)，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基本结构组成示意图(第1章绪论)

1.2传感器的分类1.2.1按输出信号的类型分类

1.2.2按传感器能量源分类1.2.3按被测量分类1.2.4按工作原理分类(第1章绪论)

1.2传感器的分类1.2.1按输出信号的类型分类

1.2.2按传感器能量源分类1.2.3按被测量分类1.2.4按工作原理分类(第1章绪论)

分为三类：模拟式、数字式、开关型(二值型)；模拟式传感器：输出连续电信号；数字式传感器：输出数字信号；开关型传感器：又称二值型传感器，即只输出“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)两个值，反映被测对象工作状态

1.2传感器的分类1.2.1按输出信号的类型分类

1.2.2按传感器能量源分类1.2.3按被测量分类1.2.4按工作原理分类(第1章绪论)

分为两类：无源型和有源型；无源型传感器：无需外加电源，将被测量的相关能量直接转换成电量输出，又称能量转换器，如热电式、磁电感应式、压电式、光电式等传感器；有源型传感器：需外加电源才能输出电信号，又称能量控制型，如应变式、压阻式、电容式、电感式、霍尔式等传感器

1.2传感器的分类1.2.1按输出信号的类型分类

1.2.2按传感器能量源分类1.2.3按被测量分类1.2.4按工作原理分类(第1章绪论)

按传感器被测量，即输入信号分类，便于表示传感器功能，也便于用户使用；传感器分为温度、压力、流量、物位、质量、位移、速度、加速度、角位移、转速、力、力矩、湿度、浓度等传感器；厂家和用户习惯于这种分类方法

1.2传感器的分类1.2.1按输出信号的类型分类

1.2.2按传感器能量源分类1.2.3按被测量分类1.2.4按工作原理分类(第1章绪论)

分为三类：物理型、化学型和生物型三大类

传感器按照工作原理的分类

1.2传感器的分类1.2.1按输出信号的类型分类

1.2.2按传感器能量源分类1.2.3按被测量分类1.2.4按工作原理分类(第1章绪论)

本课程重点讨论物理型传感器物理型传感器

传感器按照工作原理的分类

1.3传感器技术的特点1.涉及多学科与技术；2.品种繁多；3.应用领域十分广泛；4.总体要求性能优良，环境适应性好；5.应用要求千差万别；6.在信息技术中发展缓慢，但生命力强大

(第1章绪论)

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

探索新机理和新效应敏感功能材料，研制新原理传感器；量子力学为纳米技术、激光、大规模集成电路发展提供理论基础，利用量子效应研制具有敏感某种被测量的量子器件，如共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等，具有高速(比电子敏感器件速度提高1000倍)、低耗(低于电子敏感器件能耗千分之一)、高效、高集成度、经济、可靠等优点

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

仿生传感器也是重要发展方向；引起传感器技术新的技术革命，把传感器技术推向更高发展阶段

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

(1)半导体硅材料：单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等，具有兼容的优良电学特性和机械特性；采用硅材料研制多种类型硅微结构传感器和集成传感器；(2)石英晶体材料：压电石英晶体和熔凝石英晶体，有极高机械品质因数和温度稳定性；石英晶体具有良好压电特性，可研制多种微小型高精密传感器；(3)功能陶瓷材料：精密陶瓷材料特殊功能可实现一些新型传感器，如气体传感器；此外，化合物半导体、复合材料、薄膜材料、石墨烯材料、形状记忆合金材料等，也有很好发展前景

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

小型化、微型化，为传感器应用带来方便；微机械加工工艺敏感结构尺寸达到微米、亚微米，甚至纳米级，且便于批量生产，制造微型化、性价比高的传感器；如微型加速度传感器、压力传感器、流量传感器等，已广泛用于汽车电子系统，促进了汽车工业快速发展

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

微机械加工工艺主要包括：(1)平面加工技术：光刻、扩散、沉积、氧化、溅射等；(2)选择性三维刻蚀技术：各向异性腐蚀技术、外延技术、牺牲层技术、LIGA技术等；(3)固相键合技术：如Si-Si键合，实现硅一体化结构；(4)机械切割技术；(5)整体封装技术：将敏感芯片封装于一个合适腔体内，隔离外界干扰，使传感器工作于较理想状态

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展(第1章绪论)

一种精巧复合敏感结构（基于微机械加工工艺）

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

微传感器敏感元件尺寸一般为微米级，由微机械加工技术制做层与层有很大差别的三维微结构，包括可活动膜片、悬臂梁、凹槽、孔隙、锥体等；这些微结构与薄膜和集成电路结合，已成功制造多种微传感器乃至多功能敏感元阵列(如光电探测器等)，实现压力、力、加速度、角速率、应力、应变、温度、流量、成像、磁场、湿度、pH值、气体成份、离子和分子浓度以及生物传感器等

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

传感器与IC集成制造技术以及多参量传感器集成制造技术，缩小了体积、提高了抗干扰能力；采用敏感结构和信号处理电路于一体的单芯片集成技术，避免多芯片组装管脚引线的寄生效应，改善器件性能；发挥了IC技术批量化，低成本生产优势

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展一个传感器实现多个参数测量，在气体测量尤为突出

一种多功能气体传感器（6个电极，同时测4种气体）

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

将传感器获取信息功能与专用微处理器信息处理功能结合，同时有诊断、数字双向通信等新功能；微处理器的计算和逻辑功能，便于对数据滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等；同时实现自诊断、自检测、自校验以及通信与控制等功能；通常由多个模块组成

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

该智能化三维图像传感器由光电变换部分(图像敏感单元)、信号传送部分、存储部分、运算部分、电源与驱动部分等组成一种智能化图像传感器

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

1.多传感器集成与融合2.传感器网络化3.传感器在物联网中应用RFID射频标签

1.4传感器技术的发展1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展1.4.3多传感器融合与网络化的发展1.4.4量子传感技术的快速发展(第1章绪论)

有多项诺贝尔奖形成重要理论基础，促进新传感器、新仪器，特别是超高灵敏测量科学仪器发展；新传感器、新仪器，提升人类探测能力，获取新实验数据、揭示新自然现象、发现新科学规律；必将有重大发展

1.5学习建议1.5.1熟悉教材特点1.5.2注重学习效果1.5.3把握学习重点(第1章绪论)

1.紧密结合传感器涉及多学科领域、品种繁多、应用领域广的特点；2.把握好：一条主线、两个基础、三个重点、多个独立模块；3.通过“典型案例”掌握传感技术

1.5学习建议1.5.1熟悉教材特点(第1章绪论)

1.5学习建