第0章 传感器技术绪论

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1、第0章绪论及敏感材料0.1课程性质、目的和任务本课程是应用物理专业及光信学生的专业课。它的目的和任务是：通过本课程的教学，使学生掌握传感器的基本概念、基本原理、基本的分析计算方法，理解各种传感器的特点，会设计较典型的传感器信号调节电路，并具备进行选择合适的传感器进行非电量测量的技能，以适应信息处理技术的需要，为从事专业工作打下基础。0.1.1传感器及传感技术A.传感器(transducer或sensor)定义：传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般

2、为电量)的装置。B.传感器技术传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，它是检测(传感)原理、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。0.1.2传感器在科技发展中的重要性传感器在科技发展中的重要性表现在以下三个方面：A.传感器的地位与作用现在人们常常将计算机比喻为人的大脑，传感器则可比喻为人们的感觉器官。B.传感器技术是信息技术的基础与支柱C.传感器已经广泛应用于各个学科领域0.1.3传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，用方块图表示如下：A.敏感元

3、件(预变换器)：在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再将非电量变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称预变换器。B.转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，例如压电晶体、热电偶等。需要指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热敏电阻、光电器件等。而另外一些传感器，其敏感元件和转换元件可合二为一，如固态压阻式压力传感器等。C.测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、

4、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路及其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡回路等。0.1.4传感器的的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种。A.按输入量分类如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象选择所需要的传感器。B.按测量原

5、理分类现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。C.按结构型和物性型分类所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这种传感器目前应用得最为普遍。物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、

6、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。0.1.5现代传感器及其发展方向现代传感器这个名称具有两个含义，其一，现代传感器是与传统的、常见的传感器(如电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器等)相比较而言，它是指最近十年左右研制开发成功的新型传感器；其二，现代传感器是借助于现代先进科学技术研制开发出来的一传感器，它是利用了现代科学原理、或者应用了现代新型功能材料、或者采用了现代先进制造技术。当前，现代传感器技术的发展方向是：第一，开展基础研究，发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺；第二，扩大传感器的

7、功能与应用范围。A.发现新现象利用物理现象、化学反应和生物效应等是各种传感器的基本原理，所以发现新现象与新效应是现代传感器发展的重要基础，其意义极为深远。B.开发新材料功能材料是发展传感器技术的另一重要基础。现在，由于材料科学的进步，在制造各种材料时，人们可以任意控制它的成分，从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料。例如控制半导体氧化物的成分，可以制造出各种气体传感器；光导纤维用于传感器是传感器功能材料的一个重大发现；有机材料作为功能材料，正引起国内外科学家极大关注。C.采用新工艺传感器的敏感元件性能除了

8、由其功能材料决定外，还与其加工工艺有关。随着半导体、陶瓷等新型材料用于传感器敏感元件，许多现代先进制造技术也引入传感器制造技术，例如集成技术，微细加工技术，离子注入技术，薄膜技术等，能制作出性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻的敏感元件。D.研究多功能集成传感器研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向，即在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。例如日本研制出可检测