[b] 1.1傳感器 [/b]　　信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來(lái)越明顯。 　　最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC:International 　　Electrotechnical 　　Committee）的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。 　　傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1-1，進(jìn)入傳感器的信號(hào)幅度是很小的，而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的處理過(guò)程，首先要將信號(hào)整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信號(hào)線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入到微處理器。 　　德國(guó)和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即直接感知被測(cè)量信號(hào)的敏感元件部分和初始處理信號(hào)的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號(hào)成形器的電路部分。 　　傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類(lèi)傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵(lì)源（參閱圖1-2（a））。 　　無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)能（參閱圖1-2（b））。 　　傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)（即過(guò)程）的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來(lái)，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。 　　各種物理效應(yīng)和工作機(jī)理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測(cè)量對(duì)象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和效應(yīng)類(lèi)型不斷增加，其包含的處理過(guò)程日益完善。 　　常將傳感器的功能與人類(lèi)5大感覺(jué)器官相比擬： 　　光敏傳感器——視覺(jué) 聲敏傳感器——聽(tīng)覺(jué) 　　 氣敏傳感器——嗅覺(jué) 化學(xué)傳感器——味覺(jué) 　　 壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺(jué) 　　與當(dāng)代的傳感器相比，人類(lèi)的感覺(jué)能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功能優(yōu)越，例如人類(lèi)沒(méi)有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體等。 　　對(duì)傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對(duì)所有類(lèi)型傳感器都適用的，也有只對(duì)特定類(lèi)型傳感器適用的特殊要求。針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)合均需要的基本要求是： 　　高靈敏度 抗干擾的穩(wěn)定性（對(duì)噪聲不敏感） 　　 線性 容易調(diào)節(jié)（校準(zhǔn)簡(jiǎn)易） 　　 高精度 高可靠性 　　 無(wú)遲滯性 工作壽命長(zhǎng)（耐用性） 　　 可重復(fù)性 抗老化 　　 高響應(yīng)速率 抗環(huán)境影響（熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力 　　 選擇性 安全性（傳感器應(yīng)是無(wú)污染的） 　　 互換性 低成本 　　 寬測(cè)量范圍 小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度 　　 寬工作溫度范圍 　　 1.2傳感器的分類(lèi) 　　可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類(lèi)：它們的轉(zhuǎn)換原理（傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng)）；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類(lèi)型以及制作它們的材料和工藝等。 　　根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類(lèi)，其分類(lèi)示于圖1-3。 　　物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 　　化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 　　有些傳感器既不能劃分到物理類(lèi)，也不能劃分為化學(xué)類(lèi)。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類(lèi)難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。 　　常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和工作原理列于表1.1。 　　表1.1傳感器及其應(yīng)用的可能性 　　傳感器品種 工作原理 可被測(cè)定的非電學(xué)量 　　敏力電阻，熱敏電阻（NTC），PTC，半導(dǎo)體傳感器 阻值變化 力，重量，壓力，加速度，溫度，濕度，氣體 　　電容傳感器 電容量變化 力，重量，壓力，加速度，液面，濕度 　　感應(yīng)傳感器 電感量變化 力，重量，壓力，加速度，旋進(jìn)數(shù)，轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng) 　　霍爾傳感器 霍爾效應(yīng) 角度，旋進(jìn)度，力，磁場(chǎng) 　　壓電傳感器，超聲波傳感器 壓電效應(yīng) 壓力，加速度，距離 　　熱電傳感器 熱電效應(yīng) 煙霧，明火，熱分布 　　光電傳感器 光電效應(yīng) 輻射，角度，旋轉(zhuǎn)數(shù)，位移，轉(zhuǎn)矩 　　按照其用途，傳感器可分類(lèi)為： 　　壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器 　　液面?zhèn)鞲衅? 能耗傳感器 　　 速度傳感器 熱敏傳感器 　　 加速度傳感器 射線輻射傳感器 　　 振動(dòng)傳感器 濕敏傳感器 　　 磁敏傳感器 氣敏傳感器 　　 真空度傳感器 生物傳感器等。 　　以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為： 　　 模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。 　　 數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。 　　 膺數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出（包括直接或間接轉(zhuǎn)換）。 　　 開(kāi)關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。 　　在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類(lèi)： 　?。?）按照其所用材料的類(lèi)別分 　　 金屬 聚合物 陶瓷 混合物 　　（2）按材料的物理性質(zhì)分 　　 導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體 磁性材料 　?。?）按材料的晶體結(jié)構(gòu)分 　　 單晶 多晶 非晶材料 　　與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向： 　?。?）在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。 　　（2）探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。 　　（3）在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。 　　現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉(zhuǎn)換能量形式的材料。 　　按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為： 　　 集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器 　　表1.2半導(dǎo)體和介質(zhì)材料的能量轉(zhuǎn)換（調(diào)制） 　　能量轉(zhuǎn)換（調(diào)制） 轉(zhuǎn)換元件 材料 　　機(jī)械→電（電壓） 　　機(jī)械→電（阻抗） 壓電元件 　　力敏電阻 PbTiO3 ,PbZrO3,PZT（PbZr1-xTixO3） 　　Si,Ge,InSb 　　熱→電（電壓） 　　熱→電（阻抗） 　　熱→電（容抗） 　　熱→電（電壓） 熱點(diǎn)偶 　　熱敏電阻 　　電容器 　　熱電效應(yīng)元件 Bi2Te3,Sb2Te3 　　NiO,CoO,MnO 　　BaSrTiO3 　　LiTaO3,PbTiO3 　　光→電（電壓） 　　光→電（電流） 光能電池 　　光電轉(zhuǎn)換器 CbS 　　Si,GaAa 　　磁→電（電壓） 　　磁→電（阻抗） 霍爾元件 　　磁阻元件 InSb,InAs 　　Ge,Si 　　氣體→電（阻抗） 　　濕度→電（阻抗） 　　濕度→電（容抗） 氣敏元件 　　濕敏電阻 　　電容器 SnO2,ZnO 　　MgCr2O4-TiO2 　　Al2O3 　　集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。 　　薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底（基板）上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。 　　厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 　　陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠-凝膠等）生產(chǎn)。 　　完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。 　　從列于表1.3中的比較中可知，每種工藝技術(shù)都有自已的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。 　　表1.3 傳感器制造工藝的比較 　　特性 集成傳感器 薄膜傳感器 厚膜傳感器 陶瓷傳感器 　　參數(shù)的可重復(fù)性 高 高 中 中 　　參數(shù)的穩(wěn)定性 高 很高 高 高 　　工作溫度范圍 150oC以下 600oC以下 600oC以下 700～800oC以下 　　開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資金投入 很高 高 中 低 　　規(guī)模生產(chǎn)時(shí)每只傳感器的生產(chǎn)投資 很低 低 低 低 　　小批量生產(chǎn)時(shí)每只傳感器的投資 很高 高 低 底 　　研究和開(kāi)發(fā)投資 很高 很高 中 中 　　工藝技術(shù)的靈活性（變通的可能性） 低 高 中等 高 　　生產(chǎn)規(guī)模量（年產(chǎn)只數(shù)） 105～106 104～106 105～107 105～107