新型傳感器論文

1、 脈沖式光電新型傳感器 前言 傳感器技術(shù)是探測與獲取外界信息的重要手段，在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中占有十分重要的地位。隨著測量、控制及信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個重要構(gòu)成因素，被視為 90 年代的關(guān)鍵技術(shù)之一受到普遍重視，其應(yīng)用幾乎滲透到每一個角落。由于利用某一原理可以作出檢測各種不同對象的傳感器，而對于同一物理量又可以用很多不同原理的傳感器來檢測，故而傳感器的種類繁雜。正是這么眾多的傳感器品種，反映出傳感器在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)中活躍的程度。深入研究傳感器的原理和應(yīng)用，對于社會生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)交往、科學(xué)技術(shù)和日常生活中自動測量和自動控制的發(fā)展，以及人類觀測研究自然的深度和廣度都有重要的實際意義。 現(xiàn)在

2、，所有以計算機(jī)為基礎(chǔ)的測控系統(tǒng)，都需要傳感器提供賴以作出實時決策的數(shù)據(jù)。隨著系統(tǒng)的自動化程度和復(fù)雜性的增加，對傳感器的精度、可靠性和響應(yīng)，要求的越來越高。而許多傳統(tǒng)的傳感器，在使用上已經(jīng)很難再做進(jìn)一步改善來滿足對他們的高要求，特別在縮小體積、減輕重量等方面幾乎已無潛力可挖。因此，近些年來，國際上在傳感器技術(shù)方面，開展了許多探索性的預(yù)研工作，非常明顯的發(fā)展趨勢是：沿用傳統(tǒng)的作用原理和某些新效應(yīng)，優(yōu)先使用晶體材料（硅、石英、藍(lán)寶石、陶瓷等），采用微機(jī)械加工技術(shù)和微電子技術(shù)，從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)向微機(jī)械加工工藝的微結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制開發(fā)出各種機(jī)理的集成化、數(shù)字化和智能化新型傳感器及其系統(tǒng)。1、傳感器的定義

3、傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受( 或響應(yīng)) 與檢出功能, 并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的可輸出信號的元器件或裝置的總稱。傳感器一般被認(rèn)為由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路三部分組成, 有時還需外加輔助電源1。傳感器可以直接接觸被測對象, 也可以不接觸。通常對傳感器設(shè)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、線性、容易調(diào)節(jié)、高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長、可重復(fù)性、抗老化、高響應(yīng)速率、抗環(huán)境影響、互換性、低成本、寬測量范圍、小尺寸、重量

4、輕和高強(qiáng)度、寬工作范圍等。圖一 傳感器構(gòu)成2、下面介紹下脈沖式光電傳感器原理及其應(yīng)用 （1）脈沖式光電傳感器原理“脈沖式光電傳感器的作用原理是光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是通與斷的開關(guān)狀態(tài)，即光電器件受光照時，有電信號輸出；光電器件不受光照時，無電信號輸出。主要用來測量線位移、線速度、角位移、角速度（轉(zhuǎn)速）等物理量”原理圖如圖四、圖五。2圖二 脈沖式數(shù)字轉(zhuǎn)速表 圖三 調(diào)制盤正面示圖（2） 這種傳感器在電子水表中的運(yùn)用 -該電子水表的結(jié)構(gòu)該種電子水表的構(gòu)造主要有測量計數(shù)模塊、信號分析處理模塊、終端統(tǒng)計模塊，各部分主要功能介紹： a 測量計數(shù)模塊 該模塊是提高精度方面最重要的模塊之一，主要

5、由螺旋式旋轉(zhuǎn)裝置，有機(jī)玻璃腔（用于裝螺旋轉(zhuǎn)輪同時便于紅外光線的穿過）計數(shù)電路，記錄總轉(zhuǎn)數(shù)，需要在不同的地方設(shè)置3組，測量之后取其平均值，以便結(jié)果更準(zhǔn)確，原理圖見圖六 圖四 測量計數(shù)模塊 b 信號分析處理模塊 此模塊主要用于對測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，得到更加直觀的顯示值，由于有3組螺旋葉片，所以必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，因為每個螺旋上有3個可以通過光線的孔，所以對每一組螺旋葉片來講，其計算過程如下：r1=(n1-1)/3 (一天24小時內(nèi)，r1螺旋葉片轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，n1表示螺旋葉片1計數(shù)器測出的計量次數(shù)，其初始值為0)同理可得r2、r3 則，一天24小時內(nèi)3組螺旋轉(zhuǎn)過的平均總?cè)?shù)r為r=(r1+r2+r3

6、)/3 若在當(dāng)前工藝下該螺旋葉片轉(zhuǎn)動80000圈為1噸水，那么每天所用的水的噸數(shù)為t=r/80000 (噸)將每日計算的結(jié)果存儲于存儲器中，并在當(dāng)日凌晨0點自動清零計數(shù)模塊，在每月的月末的固定時間將該月的用水信息發(fā)送給統(tǒng)計終端，由終端進(jìn)一步計算從而為每個用戶提供準(zhǔn)確的用水依據(jù)。整個設(shè)計模塊分布如圖七所示 圖五 信號分析處理模塊示意圖 c 終端統(tǒng)計模塊 該模塊功能的實現(xiàn)依賴于無線發(fā)送端的準(zhǔn)確發(fā)送以及計算模塊的正常工作，在小范圍內(nèi)實現(xiàn)無線傳輸同樣要重視干擾，通常將發(fā)送時間設(shè)置在凌晨0點，這樣從環(huán)境方面降低了干擾的可能性。在終端由操作人員對傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，最終計算出該區(qū)域內(nèi)各個用戶使用水的費(fèi)

7、用，并打印各個用戶的使用詳情（以日為最小統(tǒng)計單位）作為收費(fèi)依據(jù)圖六 終端統(tǒng)計模塊示意圖 3、傳感器的發(fā)展動向大致如下： 1、開發(fā)新型傳感器新型傳感器，大致應(yīng)包括：采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器等諸方面。它們之間是互相聯(lián)系的。傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般來說，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感

8、器方面投入大量人力、 物力加強(qiáng)研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。其中利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的地靈敏閾傳感器，用來檢測微弱信號，是發(fā)展新動向之一。例如，利用核磁共振吸收效應(yīng)的磁敏傳感器，可將靈敏閾提高到地磁強(qiáng)度的10-7；利用約瑟夫遜效應(yīng)的熱噪聲溫度傳感器，可測10-6k的超低溫；利用光子滯后效應(yīng)，做出了響應(yīng)速度極快的紅外傳感器等。此外，利用化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)開發(fā)的、可供實用的化學(xué)傳感器和生物傳感器，更是具有待開拓的新領(lǐng)域。2、開發(fā)新材料近年來對傳感器材料的開發(fā)研究有較大進(jìn)展，用復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。 （1）半導(dǎo)體敏感材料 半導(dǎo)體敏感材料在傳感器技術(shù)中具

9、有較大的技術(shù)優(yōu)勢，在今后相當(dāng)長時間內(nèi)仍占主導(dǎo)地位。半導(dǎo)體硅在力敏、熱敏、光敏、磁敏、氣敏、離子敏及其它敏感元件，具有廣泛用途。 （2）陶瓷材料陶瓷敏感材料在敏感技術(shù)中具有較大的技術(shù)潛力。陶瓷材料可分為多種。具有電功能的陶瓷又叫電子陶瓷。電子陶瓷可分為絕緣陶瓷、壓電陶瓷、介電陶瓷、熱電陶瓷、光電陶瓷和半導(dǎo)體陶瓷。這些陶瓷在工業(yè)測量方面都有廣泛的應(yīng)用。其中以壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷應(yīng)用最為廣泛。陶瓷敏感材料的發(fā)展趨勢是繼續(xù)探索新材料，發(fā)展新品種，向高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確度、長壽命和小型化、薄膜化、集成化和多功能化方向發(fā)展。半導(dǎo)體陶瓷是傳感器應(yīng)用常用材料，其尤以熱敏、濕敏、氣敏、電壓敏最為突出。熱敏淘瓷的主要

10、發(fā)展方向是高溫陶瓷，如填加不同成分的batio3、zro2、mg(alcrfe)2o4和zno-tio2-nio2等；濕敏材料的發(fā)展方向是不需要加熱清洗的材料；氣敏陶瓷的發(fā)展方向是不使用催化劑的低溫材料和高溫材料；電壓敏陶瓷材料的發(fā)展方向是低壓用材料和高壓用材料，如zno-tio2為低壓用材料，而zno-sb2o2為高壓用材料。（3）磁性材料 不少傳感器采用磁性材料正向非晶化、薄膜化方向發(fā)展。非晶磁性材料具有磁導(dǎo)率高、矯頑力小、電阻率高、耐腐蝕、硬度大等特點，因而將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。由于非晶體不具有磁的各向同性，因而是一種高磁導(dǎo)率和低損耗的材料，很容易獲得旋轉(zhuǎn)磁場，而且在各個方向都可得到高

11、靈敏度的磁場，故可用來制作磁力計或磁通敏感元件，也可以利用應(yīng)力-磁效應(yīng)制得高靈敏度的應(yīng)力傳感器，基于磁致伸縮效應(yīng)的力敏元件也得到發(fā)展。由于這類材料靈敏度比坡莫合金高幾倍，這就可大大降低渦流損耗，從而獲得良好的磁特性，這對高頻更為可貴。利用這一特點，可以制造出用磁性晶體很難獲得的快速響應(yīng)型傳感器。合成物可用在任意高于居里溫度（約200300k）下產(chǎn)生，這就使得發(fā)展快速響應(yīng)的溫度傳感器成為可能。（4）智能材料 智能材料是指設(shè)計和控制材料的物理、化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等參數(shù)，研制出生物材料所具有的特性或者優(yōu)于生物材料性能的人造材料。有人認(rèn)為，具有下述功能的材料可稱之為智能材料：具備對環(huán)境的判斷可自適應(yīng)功能

12、；具備自診斷功能；具備自修復(fù)功能；具備自增強(qiáng)功能（或稱時基功能）。生物體材料的最突出特點是具有時基功能，因此這種傳感器特性是微分型的，它對變化分部分比較敏感。反之，長期處于某一環(huán)境并習(xí)慣了此環(huán)境，則靈敏度下降。一般來說，它能適應(yīng)環(huán)境調(diào)節(jié)其靈敏度。除了生物體材料外，最引人注目的智能材料是形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物。3、新工藝的采用在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新興傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱為機(jī)械加工技術(shù)，是今年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越

13、來越多地用于傳感器領(lǐng)域，例如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化學(xué)氣體沉積（cvd）、外延、擴(kuò)散、腐蝕、光刻等，迄今已有大量采用上述工藝制成的傳感器的國內(nèi)外報道。以應(yīng)變式傳感器為例。應(yīng)變片可分為體型應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片、擴(kuò)散性應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片，而薄膜應(yīng)變片則是今后的發(fā)展趨勢，這主要是由于近年來薄膜工藝發(fā)展迅速，除采用真空淀積、高頻濺射外，還發(fā)展了磁控濺射、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積、金屬有機(jī)化合物汽相淀積、分子束外延、光cvd技術(shù)，這些對傳感器的發(fā)展起了很大推動作用。如目前常見的濺射型應(yīng)變計，是采用濺射技術(shù)直接在應(yīng)變體即產(chǎn)生應(yīng)變的柱梁、振動片等彈性體上形成的。這種應(yīng)變計厚度很薄，大約為傳統(tǒng)的箔式應(yīng)變

14、計的1/10以下，故又稱薄膜應(yīng)變計。濺射型應(yīng)變計的主要優(yōu)點是：可靠性好，準(zhǔn)確度高，容易做成高阻抗的小型應(yīng)變計，無遲滯和蠕變現(xiàn)象，具有良好的耐熱性和抗沖擊性等性能。用化學(xué)汽相淀積法制備薄膜，以其成膜溫度低（50300）、可靠性好、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點而發(fā)展很快，在制備多晶硅微晶硅傳感器方面有許多報道。硅杯是力敏元件中非常重要的結(jié)構(gòu)。目前已極少采用機(jī)械加工方法加工硅杯，而改為可控的化學(xué)腐蝕方法。化學(xué)腐蝕方法，可做到工藝穩(wěn)定，硅杯尺寸很小，膜片均勻度很高，結(jié)構(gòu)從c形、e形、雙島發(fā)展到梁膜式，性能和生產(chǎn)率都有很大提高。4、集成化、多功能化與智能化傳感器集成化包括兩種定義：一是同一功能的多元件并列化，即將同一

15、類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，排成1維的為線性傳感器，ccd圖像傳感器就屬于這種情況；集成化的另一個定義是多功能一體化，即將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。目前，各類集成化傳感器已有許多系列產(chǎn)品，有些已得到廣泛應(yīng)用。集成化已經(jīng)成為傳感器技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隨著集成化技術(shù)的發(fā)展，各類混合集成和單片集成式壓力傳感器相繼出現(xiàn)，有的已經(jīng)成為商品。集成化壓力傳感器有壓阻式、電容式、mosfet等類型。其中壓阻式集成化傳感器發(fā)展快、應(yīng)用廣。自從壓阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，有人把四個力敏電阻構(gòu)成的全橋做在硅膜上，就成為一個集成化壓力傳感器。國內(nèi)在80年代就研制出了把壓

16、敏電阻、電橋、電壓放大器和溫度補(bǔ)償電路集成在一起的單塊壓力傳感器，其性能與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。由于采用了集成工藝，將壓敏部分和集成電路分為幾個芯片，然后混合集成為一體。提高了輸出性能及可靠性，有較強(qiáng)的抗干擾能力，完全消除了二次儀表帶來的誤差。傳感器的多功能化也是其發(fā)展方向之一。所謂多功能化的典型實例，美國某大學(xué)傳感器研究發(fā)展中心研制的單片硅多維力傳感器可以同時測量3個線速度、3個離心加速度（角速度）和3個角加速度。主要元件是由4個正確安裝在一個基板上的懸臂梁組成的單片硅結(jié)構(gòu)，9個正確布置在各個懸臂梁上的壓阻敏感元件。多功能化不僅可以降低成本，減小體積，而且可以有效的提高傳感器的穩(wěn)定性、可靠性等性

17、能指標(biāo)。為同時測量幾種不同的被測參數(shù)，可將不同的傳感器元件復(fù)合在一起，做成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進(jìn)行多參數(shù)的測量外。還可對這些參數(shù)的測量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。由上還可以看出，集成化給固態(tài)傳感器帶來了許多新的機(jī)會，同時它也是多功能化的基礎(chǔ)。傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合，使之不僅具有檢測功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷以及“思維”等人工智能，就稱之為傳感器的智能化。借助于半導(dǎo)體集成化技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成智能傳感器?？梢哉f智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)將取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、