新型传感技术及应用 课件全套 第1-5部分：基础知识 -典型传感器

新型传感技术第一部分：基础知识第一部分思考题（1）1.如何理解新型传感技术2.针对课上的教学内容，找出三个你认为值得交流、研讨的问题，并说明你的理解发表在MOOC讨论区里2主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用3主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用4

第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的建模第四部分：典型传感器第五部分：传感器的典型应用51.教学团队2.教学模式3.教学内容4.课程内涵5.学习建议6.教学资源7.考核方式第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的建模第四部分：典型传感器第五部分：传感器的典型应用61.教学团队2.教学模式3.教学内容4.课程内涵5.学习建议6.教学资源7.考核方式2.教学模式（1）瞄准“拔尖创新人才”培养目标

课程以传承陀螺精神，培养学生创新解决复杂工程问题能力为目标，讲授、研讨持续创新发展的传感技术及在国之重器中的典型应用。72.教学模式（1）瞄准“拔尖创新人才”培养目标（2）教师讲授、学生自主研学、师生交流研讨（3）五环教学图82.教学模式（3）五环教学图着眼工程应用反馈92.教学模式→工程应用：服务国家重大需求，科学研究之本→科学问题：

高水平论文→关键技术：

高质量发明专利→完善提高：

精益求精、

追求更好→自然现象：

学术研究之根（仿生科学）√√√√√102.教学模式（3）五环教学图着眼工程应用反馈个性成长、分类卓越榜样总师榜样科学家112.教学模式榜样总师榜样科学家榜样创业者（3）五环教学图着眼工程应用反馈个性成长、分类卓越12第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的建模第四部分：典型传感器第五部分：传感器的典型应用131.教学团队2.教学模式3.教学内容4.课程内涵5.学习建议6.教学资源7.考核方式第二部分：传感器的特性介绍传感器静态特性的描述与标定、传感器的主要静态性能指标、传感器的动态特性；为课程学习打下基础。14第三部分：敏感结构的材料与工艺介绍传感器的核心部分——敏感元件或敏感单元采用的材料以及相应的工艺，目的是为实现传感器，由敏感结构的设计到敏感结构的加工、制造、封装、实现。这部分是本课程非常重要的基本内容。3.教学内容介绍传感器的核心部分——敏感元件或敏感单元的力学行为的描述，目的是为定量研究传感器的敏感机理，优化设计传感器的敏感结构，提供理论依据。这部分是本课程非常重要的基础内容。第四部分：敏感结构的建模153.教学内容第五部分：典型传感器介绍近年来发展较快的几种典型的传感器，包括传感器的基本结构组成、敏感结构与工作机理、敏感结构参数优化设计、应用特点等。这部分是本课程的核心内容。重点介绍传感器技术在不同应用领域，实际测量系统、测控系统中的应用情况。通过一些典型案例，介绍传感器具体应用情况，充分展示传感技术的重要性，这也是本课程的重点内容。16第六部分：传感器的典型应用3.教学内容温馨提示：这部分内容有机融入前五部分第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的建模第四部分：典型传感器第五部分：传感器的典型应用171.教学团队2.教学模式3.教学内容4.课程内涵5.学习建议6.教学资源7.考核方式→充分认识新型传感技术摸底交流

1.谈谈你对传感器的理解；新型传感技术与传感技术的不同。2.说出传感器的主要性能指标（至少5个）及其含义。3.右图为一个典型的传感器敏感结构（E型圆膜片），说明其可以测量的参数与应用特点。4.上图为一传感器的基本原理结构，该传感器可测量什么参数？提高其灵敏度可以采取哪些重要措施？每一种措施的应用特点是什么？184.课程内涵谐振式直接质量流量传感器194.课程内涵→充分认识新型传感技术传感技术与新型传感技术（从机理讨论高性能）传感技术与新型传感技术（从机理讨论高性能）204.课程内涵谐振式硅微结构压力传感器→充分认识新型传感技术传感技术与新型传感技术2021，诺贝尔生理学奖感觉感应机制214.课程内涵→充分认识新型传感技术224.课程内涵4.课程内涵23244.课程内涵→充分认识新型传感技术首位女太空游客成实验研究对象2006年9月18日～29日阿努什·安萨里第一个实验：太空辐射对人体的反应——第2号染色体的实验（辐射）第二个实验：研究国际空间站的细菌——采样实验（失重）第三个实验：背痛来自哪里——下背痛实验（失重）第四个实验：怎样制成贫血——新细胞溶解实验（失重）254.课程内涵→充分认识新型传感技术2006-0922，“亚特兰蒂斯”号宇航员海德马里·皮珀两次出现身体异常反应【失重反应！】264.课程内涵→充分认识新型传感技术4.课程内涵→充分认识新型传感技术27脑磁测量284.课程内涵→充分认识新型传感技术第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的建模第四部分：典型传感器第五部分：传感器的典型应用301.教学团队2.教学模式3.教学内容4.课程内涵5.学习建议6.教学资源7.考核方式建议2：把握信息技术规律建议1：针对课程内涵建议3：充分认识传感器重要地位5.学习建议原理：传感器本身的敏感机理；围绕智能化、自动化思考问题；产学研

目的在用，了解行业应用背景；向自然界学习，仿生传感器尊重科学、注意积累、耐得住寂寞！不仅学习本课程，也是开展“传感技术”科研应遵循的原则31建议1：针对课程内涵刘广玉教授(1931-2022)电位器式压力传感器典型案例132时间：20世纪60年代末、70年代初目标：研制航空机载电位器式压力传感器事例：刘老师与国内一家工厂联合攻关。因传感器采用新材料3-53，工艺难度大，几个月无实质进展，性能达不到设计要求突破：刘老师根据实验现象和测试数据，从测量机理入手，研究敏感结构特性，终于发现制约传感器性能的问题，提出解决方案，连夜找到技术人员，来到车间。加工、装配、调试，…，成功了应用：在工厂配合下，成功加工出多只合格传感器。除夕之夜，刘老师带着几只传感器登上回京列车，大年初一早上回到学校。该传感器成功用于我校研制的飞机。典型案例2→重要启示：像刘老师那样投入，锲而不舍，一定能够成功！33时间：20世纪70年初-80年代末目标：研制高性能谐振筒式压力传感器事例：国内航空系统多家科研院所、工厂和高校，联合攻关。因该传感器技术复杂、难度大，十几年无实质进展。谐振筒式压力传感器刘广玉教授(1931-2022)坚守：刘老师带领团队，不放弃、不言败；逐一攻克传感器机理、关键技术、工艺实现、闭环控制等，终于在80年代后期，完全利用我国科技能力，系统掌握该传感器核心技术，成功研制具有自主知识产权的高性能谐振筒式压力传感器。应用：用于我国飞机，为我国航空机载大气参数测量技术水平的提升做出了重要贡献。典型案例234谐振筒式压力传感器——装备我国飞机，气压高度测量精度大大提高，出口国外2000英尺(600m)1000英尺(300m)13121110987654321标准大气压力(Pa)17868187391966220631216472271323826249822618427432287283007331468压力梯度(Pa/m)2.822.983.123.273.433.593.743.874.024.174.334.484.6676543212007年11月22日起，8850米～12500米空间范围，飞机间最小垂直间隔标准由600米缩小为300米，飞行高度层从7个增加到13个（增86%），我国空域容量显著增加典型案例235关键技术之一：气压高度精确测量（高精度大气压力传感器）谐振筒式压力传感器——装备我国飞机，气压高度测量精度大大提高，出口国外全球实施RVSM区域及计划实施区域多学科与技术（物理、化学、生物；材料、机械、电工电子、控制、微电子、计算机等）；应用十分广泛，要求千差万别，品种规格繁多；综合性技术：涉及传感器的机理研究与分析、设计与研制、性能评估与应用等；→内涵特色：尊重内在规律、把握技术特点、实现分类卓越！→重要启示：像刘老师那样投入，锲而不舍，一定能够成功！36多学科与技术（物理、化学、生物；材料、机械、电工电子、微电子、控制、计算机等）；应用十分广泛，要求千差万别，品种规格繁多；在信息技术中发展相对缓慢，但生命力强大综合性技术：涉及传感器的机理研究与分析、设计与研制、性能评估与应用等；→综合性强、覆盖面宽、系统性弱、重点不突出、个性鲜明、入门宜→内涵特色：尊重内在规律、把握技术特点、实现分类卓越！→重要启示：像刘老师那样投入，锲而不舍，一定能够成功！385.学习建议39建议2：把握信息技术规律建议1：针对课程内涵现代信息技术信息获取→信息传输→信息处理传感器技术→通信技术→计算机技术感官→神经→大脑传感器技术是信息社会重要基础；传感器是信息获取首要环节，被公认为现代信息技术源头。在当今科学技术领域、社会发展中传感器具有重要作用，广泛用于工业、农业、国防、医疗卫生等人民生活和国民经济建设中。40建议2：把握信息技术规律→传感器产业发展水平成为一个国家能力的重要标志！①门捷列夫：科学始于测量（无测量，无科学）②钱学森：信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术是信息技术的源头，是关键中的关键。

③王大珩：传感器、仪器仪表是工业生产的“倍增器”，科学研究的“先行官”，军事上的“战斗力”，现代社会活动的“物化法官”。41建议2：把握信息技术规律信息技术发展过程中的3条重要定律：GordonMooreGeorgeGilderRobertMetcalfe①摩尔定律：计算机的计算功能每18月翻一番；②吉尔德定律：网络带宽每6个月翻一番；③麦特卡尔定律：对网络投入Ｎ，回报Ｎ的平方→充分反映信息传输、信息处理的快速性问题：摩尔定律已逼近物理极限；软件和应用开始主导信息技术产业创新和发展模式软件发展及其制约要素42建议2：把握信息技术规律结论：信息获取(传感器)：信息技术源头，上游传感器与传感器技术：在科学技术、经济社会发展中有极重要地位，是“1”，是方向…当大家迷茫时，从事信息技术、研究传感器★重要技术、重要课程ICT3.0时代？→传感器产业发展水平成为一个国家能力的重要标志！43建议2：把握信息技术规律5.学习建议45建议2：把握信息技术规律建议1：针对课程内涵建议3：充分认识传感器重要地位据统计，一架现代飞机上装备着至少数百只传感器，测量飞行器的飞行姿态、飞行状态、导航定位、动力装置及燃滑油系统工作参数，测量武器与火控系统的探测参数以及飞控、液压、电源、起落架、环控、救生、安全与防护等机载设备系统的工作参数。应用实例①飞机飞行试验以及地面发动机试验、飞机结构强度试验、风洞试验等，也都需要大量传感器。航空发动机试车台建议3：充分认识传感器重要地位46应用实例①C-919铁鸟试验台47建议3：充分认识传感器重要地位应用实例①

飞机综合显示系统48建议3：充分认识传感器重要地位美国航天飞机所用的传感器数量达3500只，其中运载火箭上2500只，航天飞机上1000只应用实例②2005年7月发现号航天飞机燃料传感器？！49建议3：充分认识传感器重要地位应用实例②(燃料传感器出现了故障！)监测燃料箱内液氢的容量传感元件→技术瓶颈建议3：充分认识传感器重要地位应用实例③有哪些国内传感器，能够进入到主要市场？新能源汽车及使用的汽车传感器51建议3：充分认识传感器重要地位应用实例③能源管理系统：精细管理7000块锂电池，防止过热或短路利用上万个传感器实现智能管控智能引擎系统：西瓜大小的电机416马力引擎部件不超过10个；燃油汽车引擎部件多达200个电动自行车充电着火（传感技术缺失）52建议3：充分认识传感器重要地位应用实例④整车检测点2500多个，比以前动车组多500多个。“这些大大小小的传感器，最大的高62.8厘米，最小的直径仅5毫米。”中车四方股份公司技术中心副主任陶桂东解释说，这些传感器能采集1500多项车辆状态信息，就像动车组的眼睛一样，时时刻刻对列车运行状态、振动、轴承温度、冷却系统温度、牵引制动系统状态、车厢环境等进行监测。“复兴号”建立了大量的传感系统53建议3：充分认识传感器重要地位应用实例⑤物联网（Internetofthings）工业物联网参考体系架构引自：工业物联网白皮书（2017）建议3：充分认识传感器重要地位54传感技术的国家计划—发达国家①美国：把20世纪80年代看成是传感器技术时代，并列为20世纪90年代22项关键技术之一，美国空军2000年提出的15项有助于提高21世纪美国空军作战能力的关键技术中，传感器技术列第2。②日本：把开发和利用传感器技术列为国家重点发展6大核心技术之一。文部科学省制定的20世纪90年代重点科研项目中有70个重点课题，18项与传感器技术密切相关。③德国：80项优先资助计划中，两项为传感器的计划，一项为微型化传感器，另一项为生物传感器。④欧盟：把传感器技术作为带动各领域技术水平提升的关键性技术来看待，在传感器技术的研究中非常重视传感器技术与其他高新技术的交叉研究。55建议3：充分认识传感器重要地位传感技术的国家计划—中国56建议3：充分认识传感器重要地位我国传感技术发展始于20世纪50年代初期，60年代研制出应变元件、霍尔元件等；70年代初研制生产出扩散硅力敏传感器/砷化镓霍尔元件、碳化硅热敏电阻等；80年代“敏感元件与传感器”列入国家攻关计划，研制出集成温度传感器、集成磁敏传感器、薄膜和厚膜铂电阻、电涡流传感器1987年国家科委制定了《传感器技术发展政策》白皮书；1991年《中共中央关于制定国民经济和社会发展十年规划和“八五”计划建议》中明确要求“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”；“十五”以来，国家自然基金、“863计划”等把传感技术作为重点支持领域；

“十二五”开始，以提高我国科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平为宗旨，自然科学基金委、科技部分别设立了重大科学仪器专项，安排专项经费支持。主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的建模第四部分：典型传感器第五部分：传感器的典型应用571.教学团队2.教学模式3.教学内容4.课程内涵5.学习建议6.教学资源7.考核方式（1）开放资源（慕课）（2）教材（3）学术交流（4）精神传承（5）学科专业优势（1）开放资源新型传感技术（慕课）

传感器技术及应用（慕课）

6.教学资源58（2）主要参考教材59学术组织学术刊物学术会议学术竞赛（3）学术交流

成立于1979年3月29日，目前主办7种有关传感器、仪器仪表及测量控制学术、技术类期刊。每年组织大量学术交流活动。仪器仪表学会设传感器分会，挂靠中国航天九院704所。(美国电气和电子工程师学会，1963.01.01)IEEE，InstrumentationandMeasurement中国仪器仪表学会元件分会中国电子学会敏感技术分会中国航空学会制导导航与控制专业委员会中国生物医学工程学会生物医学传感器分会中国计量测试学会压力/流量/温度等专业委员会606.教学资源国内主要学术刊物：《仪器仪表学报》《计量学报》《传感技术学报》《测控技术》《计测技术》《仪表技术与传感器》《传感器技术》国际主要学术刊物：SensorsandActuators（A、B）IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurementIEEESensorsJournalMicrosystemTechnologies61学术组织学术刊物学术会议学术竞赛6.教学资源（3）学术交流

国内最重要学术会议：全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会，STC包括7个国内专业学会与学术团体

中国仪器仪表学会传感器分会中国仪器仪表学会元件分会传感技术联合国家重点实验室全国高校传感技术研究会中国电子学会敏感技术分会中国航空学会制导导航与控制专业委员会中国生物医学工程学会生物医学传感器分会62学术组织学术刊物学术会议学术竞赛6.教学资源（3）学术交流

国内最重要学术会议：全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会，STC包括7个国内专业学会与学术团体

学术组织学术刊物学术会议学术竞赛6.教学资源（3）学术交流

2014.10.11-13，北航与太原航空仪表有限公司在太原成功举办了第十三届全国敏感元件与传感器学术会议

2016.10.14-16，第十四届STC会议，成都，电子科大2018.11.12-14，第十五届STC会议，汉威电子（郑州大学）2020.09.18-20，第十六届STC会议，沈阳，仪表科学研究院（大连理工大学）

2023.06.09-11，第十七届STC会议，泰州，人民政府、704、厦门大学第十八届全国敏感元件与传感器学术会议(STC2025)2025.10.14–16，华中科技大学学术组织学术刊物学术会议学术竞赛葛文勋先生创办国际最重要学术会议：固态传感器、执行器与微系统国际会议(InternationalConferenceonSolid-StateSensors，ActuatorsandMicrosystems，简称Transducers)国际传感技术领域规模最大、层次最高的学术会议。自1981年在美国波士顿召开首次会议以来，该会议每两年召开一次，轮流在美洲、欧洲、亚洲及大洋洲举办。2011年，6月5日-9日，第16届大会在北京成功举办。提升了我国在传感技术领域自主创新能力和国际竞争力大会主席：夏善红646.教学资源（3）学术交流

中国国际测量控制与仪器仪表展览会（MICONEX，1983年创办，原多国仪器仪表展），在国内外仪器仪表、传感技术领域具有很高影响力，是仪器仪表界知名品牌学术活动，受到国内外业界欢迎和好评。MICONEX集“学术交流、展览展示、技术交流、贸易洽谈、成果转让”于一体，参加展会活动累计超过40个国家和地区上千家企业，上万名科技工作者以及数十万人次参观展会65学术组织学术刊物学术会议学术竞赛6.教学资源（3）学术交流

中国（国际）传感器创新大赛2012年创办，两年举办一次；起点高、参赛人员多、参与范围广学术组织学术刊物学术会议学术竞赛6.教学资源（3）学术交流

66学术竞赛

—中国（国际）传感器创新大赛大赛目的（1）服务建设创新型国家的战略，推动仪器仪表及传感器技术创新和发展；（2）倡导创新思维，鼓励原创、首创精神，促进创新型人才培养；（3）面向战略性新型产业发展的需要，实现研究成果与产业改造的融合。

（1）创新设想类（2）创新设计类（3）创新应用类大赛分设三个类别，自由命题，两个阶段67（1）创新设计类；（2）创新应用类特等奖，基于原子自旋的超高分辨率磁强计，北京航空航天大学，201268学术竞赛

—中国（国际）传感器创新大赛北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院测控系，2022学术竞赛

—中国（国际）传感器创新大赛69北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院测控系，202270特等奖，仿复眼增强型导航仪，北京航空航天大学，2022基于多传感器融合的视触觉反馈遥操作手系统，高硕嫦娥五号月面采样区域三维重建传感系统，屈玉福71学术竞赛

—中国（国际）传感器创新大赛林士谔(1913～1987)北航：1952年10月，举全国之力，汇聚了清华大学、北洋大学、厦门大学、四川大学等八所院校的航空系的优秀人才，组建了新中国第一所航空航天高等学府林士谔先生：创建我国飞行器仪表与传感器学科、专业（4）林士谔先生与陀螺精神6.教学资源林士谔先生在美国麻省理工学院的学位证书及博士论文首页736.教学资源（4）林士谔先生与陀螺精神林士谔(1913～1987)1935，上海交大→MIT，师从Dr.Draper1937、1939，MIT获硕士、博士学位

1938，创立“林士谔法”-求解高次方程（科学家）《数学手册》-代数方程

746.教学资源（4）林士谔先生与陀螺精神林士谔(1913～1987)真空膜盒式空速传感器、气压高度传感器1942，国际首创，发明“膜盒式空速表”（工程师）真空膜盒1943，获当时航空委员会颁发的“光华发明奖”1935，上海交大→MIT，师从Dr.Draper1937、1939，MIT获硕士、博士学位

1938，创立“林士谔法”-求解高次方程（科学家）756.教学资源（4）林士谔先生与陀螺精神林士谔(1913～1987)1942，国际首创，发明“膜盒式空速表”（工程师）1943，获当时航空委员会颁发的“光华发明奖”1935，上海交大→MIT，师从Dr.Draper1937、1939，MIT获硕士、博士学位

1938，创立“林士谔法”-求解高次方程（科学家）1952，创建北航，陀螺惯导学科（精密仪器及机械）

航空仪表与传感器专业（测控技术与仪器）

培养大批人才1946，厦门大学航空系

1951，厦门大学→清华大学航空系

6.教学资源（4）林士谔先生与陀螺精神林士谔(1913～1987)林士谔先生，晚年依然忘我工作…→林先生一生，诠释了

爱国、创新、奉献陀螺精神：坚定不移、坚韧不拔、坚持不懈1.定轴性2.进动性3.章动性经典陀螺（高速转子式）三个重要性质→爱国→奉献→创新776.教学资源（4）林士谔先生与陀螺精神林士谔(1913～1987)北航高度重视传感器技术的发展学术方向：传感器技术一直是重要学术方向；科学研究：系统开展飞行器仪表与传感器的科研工作；教学工作：设立与传感技术课程，既有理论课，也有实验、实践（5）学科专业优势6.教学资源第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的建模第四部分：典型传感器第五部分：传感器的典型应用791.教学团队2.教学模式3.教学内容4.课程内涵5.学习建议6.教学资源7.考核方式慕课内容自学研讨30%平时思考题探究式学习30%期末考试理论、实践并重40%第一部分思考题（2）1.举3个例子说明传感器在国之重器建设中的重要作用2.简要说明你对仿生传感器理解发表在MOOC讨论区里80主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用8182新型传感技术第二部分：传感器的特性主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用84

85第二部分思考题（1）1.利用“极限点法”评估传感器综合误差的意义、方法2.7个基本量溯源的量子化进程3.稳定性指标的意义及提高的措施发表在MOOC讨论区里第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标862.1.1静态特性的描述87p—传感器输出、输入传感器输入输出特性：曲线、公式、表格2.1.2动态特性的描述881.时域，描述传感器输入-输出的微分方程为2.复频域，描述传感器输入-输出的传递函数为第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标892.2.1静态标定的条件901.对标定环境要求2.对所用的标定设备要求3.对标定过程要求(1)无加速度,无振动,无冲击；(2)温度在15～25℃；(3)湿度不大于85％RH；(4)大气压力为0.1MPa。2.对所用的标定设备要求；7个基本量：长度、质量、时间、温度、

电流、发光强度、物质量2个辅助量：平面角、球面度2.2.1静态标定的条件911.对标定环境要求2.对所用的标定设备要求3.对标定过程要求(1)无加速度,无振动,无冲击；(2)温度在15～25℃；(3)湿度不大于85％RH；(4)大气压力为0.1MPa。2.对所用的标定设备要求；3.对标定过程要求在一定标准条件下，利用一定等级标定设备对传感器多次往复测试过程

输入量②x标准标定设备输出量①ys被校传感器输出量③ym；92；利用测试数据，计算传感器的性能指标

2.2.2静态标定的结果2.2.3动态标定的条件931.合适的典型输入信号发生器2.合适的动态信号记录设备3.合适的数据采集处理系统→动态信号记录设备固有角频率不低于被标定传感器固有角频率3～5倍，或工作频带不低于被标定传感器工作频带

2～3倍振动2.2.3动态标定的条件941.合适的典型输入信号发生器2.合适的动态信号记录设备3.合适的数据采集处理系统→数据采集处理系统采样频率应高于被标定传感器固有频率的10倍952.2.4动态标定的结果阶跃输入响应；回零过渡过程响应；脉冲输入下的瞬态响应时域动态标定方式正弦输入的频域稳态响应：幅值增益(幅频特性)和相位差(相频特性)输入响应；线性调频响应频域动态标定方式1.由非周期型阶跃响应建立一阶传感器传递函数2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数3.由实验频率特性获取一阶传感器传递函数4.由有峰值实验频率特性获取二阶传感器传递函数传感器动态模型建立962.2.4动态标定的结果1.由非周期型阶跃响应建立一阶传感器传递函数当传感器实际阶跃过渡过程曲线与右图相似时，按一阶传感器处理；静态增益由静态标定获得；时间常数由实验过渡过程曲线获得一阶传感器归一化单位阶跃过渡过程、以及经变换后的有关方程为传感器阶跃响应曲线972.2.4动态标定的结果2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数振荡二阶传感器归一化阶跃响应为

(1)阻尼较小、有振荡如图(a)、(b)所示实验曲线，信息比较丰富利用超调量、峰值时间、上升时间计算固有角频率和阻尼比进行建模传感器衰减振荡型阶跃响应曲线982.2.4动态标定的结果2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数振荡二阶传感器归一化阶跃响应为

(2)振荡次数不超过半次如图(c)所示实验曲线；利用上升时间和峰值时间计算固有角频率和阻尼比进行建模传感器衰减振荡型阶跃响应曲线992.2.4动态标定的结果2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数振荡二阶传感器归一化阶跃响应为

(3)超调量很小如图(d)所示实验曲线；在0.8～1.0之间初选一个阻尼比，利用上升时间计算固有角频率，再检验回归效果传感器衰减振荡型阶跃响应曲线1002.2.4动态标定的结果3.由实验频率特性建立一阶传感器传递函数基于一阶传感器归一化幅频特性取0.707，0.900和0.950时的角频率，回归时间常数

一阶传感器幅频特性曲线利用模型计算幅频特性，与实验值进行比较，检查回归效果1012.2.4动态标定的结果4.由有峰值实验频率特性建立二阶传感器传递函数如图为有峰值二阶传感器归一化幅频特性，可利用峰值及对应的谐振角频率，计算阻尼比和固有角频率；二阶传感器幅频特性利用模型计算幅频特性，与实验值进行比较，检查回归效果第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标1021.测量范围2.量程3.静态灵敏度4.分辨力与分辨率5.漂移6.温漂7.传感器的测量误差8.线性度9.符合度10.迟滞11.非线性迟滞12.重复性13.综合误差2.3传感器静态性能指标1033.静态灵敏度2.3传感器静态性能指标关于静态灵敏度的讨论1044.分辨力与分辨率2.3传感器静态性能指标分辨力分辨率针对全测量范围辨率1055.漂移2.3传感器静态性能指标→输出量随时间变化的现象，又称时漂反映传感器的稳定性指标；时间范围：1小时、1天、1个月、半年或1年等零点漂移满量程漂移1066.温漂2.3传感器静态性能指标→输出量随温度变化的现象零点漂移满量程漂移1077.传感器的测量误差2.3传感器静态性能指标(绝对误差)(相对误差)(针对被测量值)1088.线性度2.3传感器静态性能指标

理论线性度(绝对)

端基线性度平移端基线性度最小二乘线性度独立线性度→针对不同的参考直线1099.符合度2.3传感器静态性能指标(1)应满足所需要的拟合误差要求；(2)函数的形式尽可能简单；(3)选用多项式时，其阶次尽可能低→针对不同的参考曲线11010.迟滞2.3传感器静态性能指标11111.非线性迟滞2.3传感器静态性能指标11212.重复性2.3传感器静态性能指标113物理意义（正态分布）综合考虑正、反行程考虑全部测点3为置信概率系数3s为置信限或随机不确定度13.综合误差2.3传感器静态性能指标极限点法以极限点中间值为参考值极限点偏差讨论：是否需要考虑参考直线？114第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标1152.4.1传感器时域动态性能指标被测量为单位阶跃信号时传感器理想输出为

k——传感器的静态增益一阶传感器归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为——传感器的稳态输出1162.4.1传感器时域动态性能指标一阶传感器归一化单位阶跃响应与相对动态误差一阶传感器归一化单位阶跃响应一阶传感器单位阶跃响应相对动态误差一阶传感器主要时域动态性能指标①

T—时间常数，输出由零上升到稳态值63%所需时间②

—响应时间，输出保持在与稳态值偏差绝对值不超过

某一量值的时间；取5%时，约为3T③

—上升时间，输出由稳态值10%上升到90%所需时间④

—延迟时间，输出由零上升到50%所需时间1172.4.1传感器时域动态性能指标118对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关二阶传感器归一化单位阶跃响应2.4.1传感器时域动态性能指标119对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关→可计算不同误差带对应的传感器响应时间一是当阻尼比大于1，为过阻尼无振荡系统；其归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为2.4.1传感器时域动态性能指标120对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关→可计算不同误差带对应的传感器响应时间二是当阻尼比等于1，为临界阻尼无振荡系统；其归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为2.4.1传感器时域动态性能指标121对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统；其归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为→二阶传感器响应以其稳态输出值为平衡位置衰减振荡

122对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统①振荡次数N：相对误差曲线幅值超过允许误差限的次数②峰值时间：误差曲线由起点到第一个振荡幅值点的时间间隔二阶传感器归一化单位阶跃响应与包络线及有关指标示意123对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统③超调量：峰值时间对应的相对动态误差值二阶传感器归一化单位阶跃响应与包络线及有关指标示意④响应时间：根据超调量与动态误差带的相互关系计算124对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统二阶传感器归一化单位阶跃响应与包络线及有关指标示意2.4.2传感器频域动态性能指标125重点讨论基于传感器幅值频率特性的通频带和工作频带两个重要动态性能指标一阶传感器归一化幅值增益和相位特性分别为

通频带：幅值增益对数特性衰减3dB(归一化幅值增益下降到0.707

)，幅频特性曲线所对应的频率范围

工作频带：归一化幅值误差小于所规定允许误差时，幅频特性曲线所对应的频率范围一阶传感器归一化幅值增益和相位特性2.4.2传感器频域动态性能指标126重点讨论基于传感器幅值频率特性的通频带和工作频带两个重要动态性能指标一阶传感器通频带和工作频带分别为

通频带：幅值增益对数特性衰减3dB(归一化幅值增益下降到0.707

)，幅频特性曲线所对应的频率范围

工作频带：归一化幅值误差小于所规定允许误差时，幅频特性曲线所对应的频率范围一阶传感器归一化幅值增益——所规定的归一化幅值误差的允许值2.4.2传感器频域动态性能指标127二阶传感器归一化幅值增益和相位特性分别为二阶传感器归一化幅值增益和相位特性2.4.2传感器频域动态性能指标128二阶传感器归一化幅值增益和相位特性分别为二阶传感器归一化幅值增益阻尼比小于0.707，幅频特性曲线有峰值，传感器谐振角频率、谐振峰值以及相角分别为考虑到二阶传感器幅值增益有时产生较大峰值，故二阶传感器的工作频带更有意义2.4.2传感器频域动态性能指标129如图给出了固有角频率对工作频带的影响情况，固有角频率越高，工作频带越宽；二阶传感器工作频带与固有角频率关系2.4.2传感器频域动态性能指标130如图给出了阻尼比对工作频带的影响情况二阶传感器工作频带与阻尼比关系131第二部分思考题（2）1.减小传感器温度漂移的措施2.传感器综合测试的意义与应用3.建立传感器动态模型的方法4.二阶传感器的主要性能指标发表在MOOC讨论区里主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用132133新型传感技术第三部分：敏感结构的材料与工艺第三部分思考题（1）1.有观点“一代材料，一代传感器”，谈谈你的理解2.简要说明材料与工艺对传感器的重要价值发表在MOOC讨论区里135主要内容第一部分：基础知识

第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用136

137138139周边固支矩形平膜片不同的材料+不同的工艺140周边固支方形平膜片+双端固支梁固支E形膜片+双端固支梁第三部分：敏感结构的材料与工艺3.1敏感结构的材料3.2敏感结构的工艺1411.硅材料2.二氧化硅3.压电材料4.石墨烯3.1敏感结构的材料1421.硅材料硅单晶硅多晶硅各向同性各向异性单晶硅143单晶硅144单晶硅145单晶硅:MostpopularlyusedinMEMSsensors便于批量生产，易于装配；低密度(2.33g/cm2)，高弹性模量E(130-190GPa)；高熔点(nofailureeveninhightemperaturecondition)；低膨胀系数(8timeslessthanthesteel,10timeslessthanaluminium)；能够实现集成式传感器(integratedsensor)，SOC

CrystaldirectionElasticmodulusPoisson'sratioCuttingmodulusDensitycoefficientofexpansion(ppm/°C)<100>1300.278(N型)79.02.332.62<110>17061.72.332.62<111>1900.18(P型)57.52.332.62单晶硅146单晶硅半导体材料的压阻效应半导体材料的电阻特性单晶硅的晶向、晶面的表示半导体材料的各向异性密勒指数147单晶硅单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD面(100)，<100>148单晶硅149单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD面(100)，<100>2.ADGF面(110)，<110>单晶硅150单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD面(100)，<100>2.ADGF面(110)，<110>3.AHF面(111)，<111>单晶硅151单晶硅的晶向、晶面的表示密勒指数1.ABCD

面(100)，<100>2.ADGF

面(110)，<110>3.AHF

面(111)，<111>4.BCHE

面→FILG面(-110)→(1-10)，<1-10>单晶硅152压阻系数纵向压阻系数横向压阻系数纵向应力横向应力压阻系数矩阵P型硅：N型硅：可忽略，可忽略，单晶硅153压阻系数P方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦Q方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦任意晶向的压阻系数单晶硅154压阻系数任意晶向的压阻系数计算(001)面上<010>晶向的纵向、横向压阻系数计算实例1压阻系数绘出P型硅(001)面内的纵向和横向压阻系数的分布图计算实例2任意晶向的压阻系数P

方向：Q

方向：单晶硅1552.二氧化硅156又称硅石，自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种主要用于介电材料，提供电与热的绝缘层、掩膜保护层、表面加工的牺牲层

→用作绝缘层和掩膜层的SiO22.二氧化硅157SiO2+4HF＝SiF4↑+2H2O→用作牺牲层的SiO23.压电材料158机械能电能压电效应正压电效应逆压电效应压电特性3.压电材料159（1）石英晶体（2）压电陶瓷（3）偏二氟乙烯石英谐振器3.压电材料160（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类石英晶体的性能石英压电谐振器的热敏感性3.压电材料161（1）石英晶体

石英晶体的压电机理光(z)-机(y)-电(x)石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数3.压电材料162（1）石英晶体

应力电荷左旋石英晶体取正号；右旋石英晶体取负号厚度变形/长度变形/面剪切变形/厚度剪切变形3.压电材料163（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类X切族（厚度为x初始方向，旋转而成）3.压电材料164（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类石英晶体的性能压电特性非常稳定，但比较弱；温度特性和长期稳定性非常好；固有频率高，动态响应好；机械强度高，绝缘性能好，迟滞小，重复性好。3.压电材料165（1）石英晶体

石英晶体的压电机理石英晶体的压电常数石英晶体几何切型的分类石英晶体的性能石英压电谐振器的热敏感性石英温度传感器谐振频率与温度的关系——热灵敏系数Ct正确选择切型和工作模式3.压电材料166（1）石英晶体（2）压电陶瓷（3）偏二氟乙烯压电陶瓷元件压电换能器3.压电材料167（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电常数常用压电陶瓷3.压电材料168（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷：人工合成的多晶压电材料钛酸钡压电陶瓷3.压电材料169（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电常数钛酸钡压电陶瓷3.压电材料170（2）压电陶瓷压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电常数常用压电陶瓷

钛酸钡压电陶瓷锆钛酸铅压电陶瓷3.压电材料171（1）石英晶体（2）压电陶瓷（3）偏二氟乙烯一种高分子半晶态聚合物(薄膜)具有较高的电压灵敏度正压电效应输出电信号4.石墨烯1722004年，单层石墨烯（Graphene）通过机械剥离法首次被制出，其理论厚度只有0.335nm，其面内杨氏模量为1TPa，断裂强度达130GPa

2010年获诺贝尔物理学奖：安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫4.石墨烯173基于石墨烯优良的机械、电学特性，研究测量流体介质的石墨烯传感器：压阻式、光纤干涉式

、谐振式SmithAD,etal.NanoLetters,2013,13(7):3237-42.MaJ,etal.OpticsLetters,2012,37(13):2493-2495.第三部分：敏感结构的材料与工艺3.1敏感结构的材料3.2敏感结构的工艺1743.2敏感结构的工艺1751.硅微加工技术2.LIGA技术与SLIGA技术3.键合技术4.特殊精密加工技术3.2敏感结构的工艺1761.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀腐蚀停止技术清除硅表面上的污染或修复被划伤了的硅表面；形成单晶硅平膜片；形成单晶硅或多晶硅薄膜上的图案以及具有圆形或椭圆形截面的腔和槽等3.2敏感结构的工艺1771.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀(100)／(111)面的腐蚀速率大约为400：1；

而(110)面的腐蚀速率则介于二者之间3.2敏感结构的工艺1781.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀腐蚀停止技术单晶硅表面进行硼重掺杂，可实现重掺杂区腐蚀速率远小于其他非重掺杂区，使腐蚀自动停止在两者交界面上；电化学（阳极）腐蚀停止技术3.2敏感结构的工艺1791.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀用于高精度，侧面垂直度要求严格的图案(结构)；离子刻蚀包括等离子体刻蚀、反应离子刻蚀(也称反应溅射刻蚀)等干刻蚀方法；这些方法利用气体的等离子体生成物或者溅射进行3.2敏感结构的工艺1801.硅微加工技术（1）体形微加工技术（2）表面微加工技术①化学腐蚀②离子刻蚀①薄膜生成技术②牺牲层技术

（2）表面微加工技术3.2敏感结构的工艺181①薄膜生成技术物理气相淀积技术

利用高真空蒸镀和溅射的方法，使另一种物质在硅片表面上成膜真空蒸镀法蒸镀材料(Al、Au)挂在钨丝加热器上；原子蒸发，碰撞到达衬底２表面，凝聚成膜；制作电极、敏感栅真空蒸镀系统原理图１—真空室；２—衬底；４—接高真空泵；３—钨丝绕制的加热器(挂有被蒸镀的材料)3.2敏感结构的工艺182①薄膜生成技术直流溅射原理图１—靶；２—阴极；３—直流高压电源ＤＣ；４—阳极；５—基片；６—惰性气体入口；７—接真空系统直流溅射法设备复杂，成膜速度慢，但膜牢固；能制出高熔点的金属膜和化合物膜；不能溅射介质膜(绝缘层)

物理气相淀积技术

利用高真空蒸镀和溅射的方法，使另一种物质在硅片表面上成膜3.2敏感结构的工艺183①薄膜生成技术物理气相淀积技术

利用高真空蒸镀和溅射的方法，使另一种物质在硅片表面上成膜磁控射频溅射原理图１—介质靶；２—阴极；３—射频电源ＲＦ；

４—阳极；５—基片；６—接真空系统磁控射频溅射法提高溅射薄膜的均匀性和溅射速率；能制出金属膜、介质膜、压阻膜、压电膜和半导体膜

3.2敏感结构的工艺184①薄膜生成技术化学气相淀积技术

使气体与衬底材料本身在加热的表面上进行化学反应，使另一种物质在表面上成膜常压化学气相淀积（NPCVD）低压化学气相淀积（LPCVD）

等离子强化化学气相淀积（PECVD）

外延工艺化学气相淀积CVD：ChemicalVaporDeposition高温条件下的利用气态物质在固体表面进行化学反应（分解、还原、氧化、置换）生成固态沉积物的工艺过程，形成薄膜

3.2敏感结构的工艺185①薄膜生成技术②牺牲层技术

3.2敏感结构的工艺1861.硅微加工技术2.LIGA技术与SLIGA技术2.LIGA

技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺187①Ｘ光深度同步辐射光刻过程②电铸形成金属微结构③注塑成型LIGA特点(1)制造较大深宽比结构；(2)取材广，金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；(3)可制作任意截面形状图形结构，精度高；(4)可重复复制，符合大批量生产要求，制造成本较低2.LIGA

技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺1882.LIGA技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺189①④②③⑤⑥⑦2.LIGA技术与SLIGA技术

3.2敏感结构的工艺190LIGA牺牲层：SacrificialLayer3.2敏感结构的工艺1911.硅微加工技术2.LIGA技术与SLIGA技术3.键合技术3.2敏感结构的工艺1923.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；3.2敏感结构的工艺1933.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；阳极键合原理3.2敏感结构的工艺1943.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；硅与玻璃阳极键合简图及实例参考压力被测压力被测压力3.2敏感结构的工艺1953.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；热熔Si-Si键合：形成SOI（Silicon-on-Insulator，绝缘体上的硅）结构3.2敏感结构的工艺1963.键合技术（1）固相键合：利用各种接合工艺，把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起，构成三维微结构；（2）常用方法：阳极键合、热熔Si-Si直接键合、共熔键合及低温玻璃键合等；（3）常用的互连材料：金属和硅、硅和硅、金属和金属以及玻璃和硅；（4）键合基本要求：①残余热应力尽可能小；②可实现机械解耦，防止外界应力干扰；③

足够的机械强度和密封性；④良好的电绝缘性。3.2敏感结构的工艺1971.硅微加工技术2.LIGA技术与SLIGA技术3.键合技术4.特殊精密加工技术（1）针对传感器用到的非硅类材料：如熔凝石英（石英玻璃）、石英晶体、陶瓷、磁性材料、弹性合金、高分子聚合物以及超导材料等；（2）加工成特殊复杂型面，精密表面和特殊零件：如薄壁壳、膜、小孔、窄缝、探针、深槽等；（3）需要特殊精密加工技术：如高能束流（激光束流、电子束流、离子束流）加工技术，电加工技术（电脉冲加工技术、电解加工技术）和离子注入技术等3.2敏感结构的工艺1984.特殊精密加工技术一种集成式硅电容压力微传感器的封装：借助激光打孔，将玻璃与硅衬底密封连接成一整体结构553.2敏感结构的工艺1994.特殊精密加工技术一种硅谐振式压力微传感器的原理结构硅谐振梁封装在真空参考腔内第三部分思考题（2）1.针对右图传感器的敏感结构，分析其应用的材料与相应工艺2.举例说明封装工艺在传感器中

的重要性发表在MOOC讨论区里200主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用201202新型传感技术第四部分：敏感结构的建模主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模

第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用204

205206需要建立模型进行分析、设计207第四部分思考题（1）1.针对这两个微机械压力传感器，分析异同2.从弹性敏感元件的力学特性，说明传感器指标的相互制约发表在MOOC讨论区里208第四部分：敏感结构的建模4.1概述4.2弹性敏感元件的基本特性4.3弹性敏感结构的边界条件4.4弹性体的能量方程4.5受有张力的弹性弦丝的固有振动4.6受轴向力的两端固支梁

4.7膜片的建模4.8圆柱壳的建模

2094.1概述温度测量应用领域

一般特性位移、应变、应力特性固有振动特性其他特性弹性元件的特性弹性元件弹性变形2102114.1概述常用弹性敏感结构波纹膜片压力/力敏感元件2124.1概述常用弹性敏感结构真空膜盒压力敏感元件2134.1概述常用弹性敏感结构波纹管压力/力敏感元件2144.1概述常用弹性敏感结构波纹管压力/力敏感元件2154.1概述常用弹性敏感结构S型梁集中力敏感元件应变式电子秤2164.1概述常用弹性敏感结构C型管压力敏感元件使用C型管的压力仪表（传感器）2174.1概述常用弹性敏感结构谐振筒压力敏感元件2184.1概述常用弹性敏感结构谐振式直接质量流量传感器弹性弯管质量流量/密度敏感元件2194.1概述常用弹性敏感结构硅微结构压力敏感元件第四部分：敏感结构的建模4.1概述4.2弹性敏感元件的基本特性4.3弹性敏感结构的边界条件4.4弹性体的能量方程4.5受有张力的弹性弦丝的固有振动4.6受轴向力的两端固支梁

4.7膜片的建模4.8圆柱壳的建模

2204.2.1刚度与柔度4.2.2弹性滞后4.2.3弹性后效与蠕变4.2.4弹性材料的机械品质因数4.2.5应力描述4.2.6位移描述4.2.7应变描述4.2.8应力应变关系4.2.9固有谐振频率4.2.10弹性元件的热特性4.2弹性敏感元件的基本特性2214.2.1刚度与柔度222弹性敏感元件输入输出柔度(灵敏度)刚度弹性敏感元件特性

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.2弹性滞后223弹性敏感元件输入输出弹性敏感元件工作时，因材料内部存在分子间内摩擦，加载特性与卸载特性不重合的现象称为弹性滞后某些传感器引起迟滞误差的主要原因之一

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.3弹性后效与蠕变载荷作用弹性敏感元件，产生变形过程；起初较短时间段，变化持续过程可看作

弹性后效；载荷不变，弹性敏感元件较长时间缓慢

变形，该过程可看作蠕变；

弹性后效会引起传感器

重复性误差或动态误差；蠕变会影响传感器稳定性；

弹性滞后、弹性后效、蠕变同时发生，物理过程复杂；设计传感器，选择弹性敏感元件材料时应充分重视

弹性敏感元件弹性变形过程

4.2弹性敏感元件的基本特性2244.2.4弹性材料的机械品质因数225周期振动弹性敏感元件，针对能量定义的

机械品质因数

——储存的总能量；——每周由阻尼消耗的能量二阶系统归一化幅频特性

机械品质因数可用等效二阶系统幅值频率特性

曲线来说明；等效二阶系统归一化幅频特性为——系统固有角频率和阻尼比对于弱阻尼系统（阻尼比远小于1），最大

幅值增益和对应的谐振频率，机械品质因数

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.5应力描述226考虑弹性体某截面上的受力情况，该截面上某一点单位面积上的作用内力就是应力

——正应力（normalstress，垂直于作用面）、

切应力（shearstress，平行于作用面）应力描述

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.5应力描述227三维直角坐标系内，一点处有六个独立应力分量：三个正应力，三个切应力研究硅压阻效应的应力表述三维直角坐标系内应力描述

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.5应力描述228三维直角坐标系内，应力平衡方程直角坐标系平行六面体微元上的应力分布

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.5应力描述229直角坐标系下弹性体边界上的力平衡方程直角坐标系边界四面体微元上的应力分布

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.5应力描述230平面极坐标系内，一点处有三个独立应力分量：两个正应力，一个切应力

平面极坐标内应力描述

平面极坐标系下的应力平衡方程平面极坐标下微元体的应力分布

4.2弹性敏感元件的基本特性弹性元件的位移是其位置变化；位移连续变化；

在三维直角坐标系，某点位置和位移分别为

4.2.6位移描述231三维坐标系位置、位移描述示意图在平面极坐标系某点位移为

——平面极坐标系中径向和切向的单位动矢量平面极坐标系位置、位移的描述示意图平面极坐系位移描述示意图

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.7应变描述232考虑一线段AB长度的变化，则该线段的正应变为考虑两线之间夹角的变化，如图所示；线段AB与线段BC的切应变（剪应变）为正应变描述切应变描述

4.2弹性敏感元件的基本特性4.2.7应变描述233

三维直角坐标系中，一点处应变有六个独立分量：三个正应变、三个切应变

平面极坐标系中，一点处应变有三个独立分量：两个正应变、一个切应变

4.2弹性敏感元件的基本特性2344.2.8应力应变关系

胡克——1635～1703，1678年弹性定律发表在他的讲演集《态势的恢复》(针对典型弹性体)科西1822年引入“应力”“应变”及G.格林的改进后才具有现代形式（广义胡克定律）牛顿(1643～1727)——万有引力的思考

4.2弹性