第1次課 傳感器概述

1、第 1次課2 學(xué)時(shí)上次課復(fù)習(xí)：本次課題（或教材章節(jié)題目）：第2章 傳感器概述2.1 傳感器的組成和分類（教材）教學(xué)要求：掌握傳感器的定義、組成及分類，了解傳感器的作用、傳感器的命名法、傳感器的材料及制造以及傳感器的發(fā)展趨勢等。 重 點(diǎn)： 傳感器的定義及分類難 點(diǎn)：傳感器的定義以及分類教學(xué)手段及教具：多媒體課件講授講授內(nèi)容及時(shí)間分配：2.1 傳感器的組成和分類 1.傳感器的定義、組成及分類 45分鐘 2.傳感器的作用、命名法 15分鐘 3.傳感器的材料及制造 15分鐘 4.傳感器的發(fā)展趨勢 15分鐘課后作業(yè)P39：2-1參考資料郁有文，常健等.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，

2、2003.金發(fā)慶.傳感器技術(shù)及應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.注：本頁為每次課教案首頁1 傳感器概述1.1 傳感器的定義與作用傳感器的定義傳感器(Transducer或Sensor）是將非電量(物理量或化學(xué)量）轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量或電參量的裝置。依照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7665-1987傳感器通用術(shù)語）的規(guī)定，傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器也可稱為換能器或檢測器(現(xiàn)在多稱為傳感器）。這個(gè)定義包括三層含義：（1）傳感器首先是一個(gè)測量裝置，即以測量為目的的。發(fā)電機(jī)為人類提供電能時(shí)，它不是傳感器；但為了測定調(diào)速系

3、統(tǒng)轉(zhuǎn)速時(shí)，它就是傳感器了，因此，我們特地給它取名為測速發(fā)電機(jī)，或叫發(fā)電機(jī)測速傳感器。（2）能在規(guī)定條件下感受外界信息。外界信息一般是指非電量，它不僅限于物理量而且包含化學(xué)量（特別是生物的感覺信息）。（3）能轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的電信息。傳感器所測參量最終要轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理、記錄、顯示的信息，目前的最佳信息就是電信息。傳感器的作用傳感器的作用是將被測非電物理量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的電信號(hào)，它獲得的信息正確與否，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度。它的主要作用有兩個(gè)，其一是敏感作用，它感受被測量的變化，完成信號(hào)的拾?。黄涠亲儞Q作用，完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。1.2 傳感器的組成與分類傳感器的組成傳感器通

4、常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和接口電路組成。其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分。傳感器的組成如圖1.1所示。圖1.1傳感器組成框圖 傳感器轉(zhuǎn)換能量的理論基礎(chǔ)都是利用物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)來進(jìn)行能量形式的變換。圖1.2給出了傳感器各種能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可見，被測量和它們之間的能量的相互轉(zhuǎn)換是各種各樣的。圖1.2傳感器的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系傳感器的分類常用的分類方法有兩種，一種是按被測輸入量來分；另一種是按傳感器的工作原理來分。.1按被測物理量分類這一種方法是根據(jù)被測量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如溫度傳感器、濕

5、度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器等。 常見的非電基本被測量和派生被測量如表11所示。這種分類方法的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。其缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。.2按傳感器工作原理分類這種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)。這種分類法的優(yōu)點(diǎn)是對傳感器的工作原理表達(dá)比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進(jìn)行深入研究分析。其缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。具體劃分為： 1.電學(xué)式傳感器

6、電學(xué)式傳感器是應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。 電阻式傳感器是利用變阻器將被測非電量轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)的原理制成。電阻式傳感器一般有電位器式、觸點(diǎn)變阻式、電阻應(yīng)變片式及壓阻式等。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、力、應(yīng)變、力矩、氣體流速、液位和液體流量等參數(shù)的測量。 電容式傳感器是利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生變化的原理制成的。電容式傳感器主要用于壓力、位移、液位、厚度及水分含量等參數(shù)的測量。 電感式傳感器是利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的。電感式傳感

7、器主要用于位移、壓力、力、振動(dòng)及加速度等參數(shù)的測量。 磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量而制成。主要用于流量、轉(zhuǎn)速和位移等參數(shù)的測量。 電渦流式傳感器是利用金屬在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦流的原理而制成。電渦流式傳感器主要用于位移及厚度等參數(shù)的測量。 2.磁學(xué)式傳感器 磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成。磁學(xué)式傳感器主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。 3.光電式傳感器 光電式傳感器在非電量電測及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理而制成。光電式傳感器主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。 4.電勢型傳感器 電勢型傳感

8、器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)及霍耳效應(yīng)等原理而制成。電勢型傳感器主要用于溫度、磁通量、電流、速度、光通量及熱輻射等參數(shù)的測量。 5.電荷型傳感器 電荷型傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成，主要用于力及加速度的測量。 6.半導(dǎo)體型傳感器 半導(dǎo)體型傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)及半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。半導(dǎo)體型傳感器主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。 7.諧振式傳感器 諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成，主要用來測量壓力。 8.電化學(xué)式傳感器 電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成。根據(jù)其電特性的形成不同，電

9、化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜（極化）式傳感器和電解式傳感器等。電化學(xué)式傳感器主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位等參數(shù)的測量。1.3傳感器的命名法國家標(biāo)準(zhǔn)(BG7666-87）傳感器的命名法及代號(hào)對各種傳感器規(guī)定了統(tǒng)一的命名法。根據(jù)這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，任意一種傳感器的名稱，應(yīng)由主題詞加3級(jí)修飾語構(gòu)成：主題詞“傳感器”；第l級(jí)修飾語被測量；第2級(jí)修飾語轉(zhuǎn)換原理，或特征描述(指出需要強(qiáng)調(diào)的傳感器性能、特征、結(jié)構(gòu)、材料等）；第3級(jí)修飾語主要技術(shù)指標(biāo)(如量程、準(zhǔn)確度、靈敏度等）。在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書索引以及計(jì)算機(jī)信息處理

10、等場合，傳感器的名稱應(yīng)采用正序排列。例如："傳感器，壓力，應(yīng)變式，l0kPa"；"傳感器，位移，磁電式，l0mm"。在產(chǎn)品說明書、學(xué)術(shù)論文、教材等敘述句中，傳感器的名稱習(xí)慣采用倒序法。例如："l0kpa，應(yīng)變式，壓力，傳感器"；"l0mm，磁電式，位移，傳感器"。作實(shí)際應(yīng)用中可用全稱，也可用簡稱，即可以省略3級(jí)修飾語中的任一級(jí)。1.4 傳感器的材料與制造傳感器的材料傳感器是利用材料的固有特性或開發(fā)的二次功能特性，再經(jīng)過精細(xì)加工而成的。傳感器的材料和制造是傳感器性能和質(zhì)量的關(guān)鍵。 1.半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料對很多信息

11、量具有敏感特性，又有成熟的集成電路工藝，易于實(shí)現(xiàn)多功能化、集成化和智能化，同時(shí)也是很好的基底材料，所以是理想的傳感器材料。其中用得最多的硅材料。硅質(zhì)量輕，密度為不銹鋼的13，而強(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍，具有高的強(qiáng)度密度比和高的剛度密度比，因此很適合制作傳感器。 （1）單晶硅 （2）多晶硅 （3）非晶體硅 （4）硅藍(lán)寶石 （5）化合物半導(dǎo)體 2.陶瓷材料 3.石英材料 4.金屬氧化物及合金材料 （1） ZnO薄膜 （2）非晶態(tài)磁性合金材料 （3）形狀記憶合金材料 5.無機(jī)材料 6.有機(jī)材料 7.生化材料 8.高分子敏感材料 9.合成材料 10.智能材料 智能材料應(yīng)具備以下內(nèi)涵：（l）能夠檢測并且

12、可以識(shí)別外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度的感知功能； (2）能夠響應(yīng)外界變化的驅(qū)動(dòng)功能； (3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)； （4）反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和精確； （5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。傳感器制造技術(shù)傳感器制造技術(shù)主要是微系統(tǒng)技術(shù)，也叫微機(jī)械加工技術(shù)。不僅微系統(tǒng)的部件是用微機(jī)械加工制成，而且用這些部件組合成系統(tǒng)也是用微機(jī)械加工的，包括下列技術(shù)： 1部件及子系統(tǒng)加工 部件及子系統(tǒng)加工技術(shù)有如下幾種： l）半導(dǎo)體加工技術(shù)； 2）硅微機(jī)械加工技術(shù)； 3）集成光學(xué)技術(shù)； 4）厚膜薄膜技術(shù)； 5）納米技術(shù)； 6）X射線深層光刻電鑄成型（LIGA）技術(shù)； 7）激光加工技術(shù)。 2系統(tǒng)的集成包括底盤、組裝和連線加工 1）硅加工 包括厚膜、薄膜機(jī)械加工和激光加工技術(shù)。 2）鍵合 包括芯片粘接、共熔鍵合、焊接、玻璃封接、靜電封接等技術(shù)。 3）接線 主要有壓焊、倒裝式焊接TAB（帶自動(dòng)焊接）等技術(shù)。 4）基底 激光打孔技術(shù)。 大部分微傳感器都是用半導(dǎo)體硅制成。其必不可少的硅微機(jī)械加工技術(shù)是硅集成電路工藝的一項(xiàng)重要的擴(kuò)展技術(shù)，用以制造以硅材料為基底，層與層之間有很大差別的三維結(jié)構(gòu)，包括膜片、懸臂梁、探針、凹槽、孔隙和錐體等。硅微機(jī)械加工技術(shù)包括： l）薄膜生長技術(shù) 包括多晶硅、單晶硅、氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃薄膜生長技術(shù)。 2