[b] 1.1傳感器 [/b]　　信息處理技術(shù)取得的進展以及微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應的進展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術(shù)中的關鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來越明顯。 　　最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會（IEC:International 　　Electrotechnical 　　Committee）的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“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)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 　　傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1-1，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，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。成形后的信號隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并輸入到微處理器。 　　德國和俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分。 　　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。有兩類傳感器：有源的和無源的。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源（參閱圖1-2（a））。 　　無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能（參閱圖1-2（b））。 　　傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)（即過程）的。對象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評測或標示。 　　各種物理效應和工作機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量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加，其包含的處理過程日益完善。 　　常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬： 　　光敏傳感器——視覺 聲敏傳感器——聽覺 　　 氣敏傳感器——嗅覺 化學傳感器——味覺 　　 壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺 　　與當代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。 　　對傳感器設定了許多技術(shù)要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只對特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場合均需要的基本要求是： 　　高靈敏度 抗干擾的穩(wěn)定性（對噪聲不敏感） 　　 線性 容易調(diào)節(jié)（校準簡易） 　　 高精度 高可靠性 　　 無遲滯性 工作壽命長（耐用性） 　　 可重復性 抗老化 　　 高響應速率 抗環(huán)境影響（熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力 　　 選擇性 安全性（傳感器應是無污染的） 　　 互換性 低成本 　　 寬測量范圍 小尺寸、重量輕和高強度 　　 寬工作溫度范圍 　　 1.2傳感器的分類 　　可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理（傳感器工作的基本物理或化學效應）；它們的用途；它們的輸出信號類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傳感器二大類，其分類示于圖1-3。 　　物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。 　　化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。 　　有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。 　　常見傳感器的應用領域和工作原理列于表1.1。 　　表1.1傳感器及其應用的可能性 　　傳感器品種 工作原理 可被測定的非電學量 　　敏力電阻，熱敏電阻（NTC），PTC，半導體傳感器 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 　　感應傳感器 電感量變化 力，重量，壓力，加速度，旋進數(shù)，轉(zhuǎn)矩，磁場 　　霍爾傳感器 霍爾效應 角度，旋進度，力，磁場 　　壓電傳感器，超聲波傳感器 壓電效應 壓力，加速度，距離 　　熱電傳感器 熱電效應 煙霧，明火，熱分布 　　光電傳感器 光電效應 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。 　　以其輸出信號為標準可將傳感器分為： 　　 模擬傳感器——將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。 　　 數(shù)字傳感器——將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。 　　 膺數(shù)字傳感器——將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉(zhuǎn)換）。 　　 開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。 　　在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀點出發(fā)可將傳感器分成下列幾類： 　?。?）按照其所用材料的類別分 　　 金屬 聚合物 陶瓷 混合物 　?。?）按材料的物理性質(zhì)分 　　 導體 絕緣體 半導體 磁性材料 　　（3）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的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向： 　?。?）在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應和反應，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實際使用。 　　（2）探索新的材料，應用那些已知的現(xiàn)象、效應和反應來改進傳感器技術(shù)。 　?。?）在研究新型材料的基礎上探索新現(xiàn)象、新效應和反應，并在傳感器技術(shù)中加以具體實施。 　　現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強度。傳感器開發(fā)的基本趨勢是和半導體以及介質(zhì)材料的應用密切關聯(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 　　機械→電（電壓） 　　機械→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） 熱點偶 　　熱敏電阻 　　電容器 　　熱電效應元件 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 　　集成傳感器是用標準的生產(chǎn)硅基半導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信號的部分電路也集成在同一芯片上。 　　薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底（基板）上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，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，然后進行熱處理，使厚膜成形。 　　陶瓷傳感器采用標準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?shù)念A備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結(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)點和不足。由于研究、開發(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)時每只傳感器的生產(chǎn)投資 很低 低 低 低 　　小批量生產(chǎn)時每只傳感器的投資 很高 高 低 底 　　研究和開發(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