第1章绪论
传感器技术是以电、磁、声、光、热、力等各种物理“效应”、“现象”，化学中的各种“反应”以及生物学中的各种“机理”为基础，以材料和加工技术为支撑，以研究传感器的原理、设计、特性与应用为主要内容，综合了物理学、电子学、光学、化学、生物工程、机械工程、材料科学、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门综合性学科。
1.1传感器的定义、组成及分类
1.1.1传感器的定义

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。它在某些领域又被称为变换器、检测器或探测器。
传感器定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信号，主要包括气、光和电等信号，现在一般是指电信号，如电阻、电容、电感以及电压、电流、频率、脉冲等； 而“规定的被测量”一般是指非电量信号，主要包括机械量（如位移、力、重量、振动、速度、加速度、噪声等）、热工量（如温度、压力、流量等）、物性和成分量（如气体及液体的化学成分、酸碱度、盐度、浓度、黏度等）以及状态量（如裂纹、缺陷、泄漏、颜色、透明度、颗粒度、磨损度等）。正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量，所以就需要利用传感器技术实现非电量至电量的转换，然后利用电测的技术进行测量。
关于“传感器”这个词，在英文中与之相关的词主要有三个： transducer、sensor、actuator。这三个词的一般解释如下。
transducer是指将一种类型的信号转换为与之相关的另外一种类型的信号的装置，也即我们常说的“变换器”； sensor是指将一种类型的信号转换为电信号的装置，也即我们常说的“传感器”，如麦克风、测量温度的热电阻等； actuator是指将电信号转换为机械能的装置，也即我们常说的“执行器”，如喇叭、电动机等。sensor与actuator都是transducer的类型之一，sensor有时又称为input transducer，actuator有时又称为output transducer。
1.1.2传感器的组成
通常讲传感器是由敏感元件和传感元件组成。同时，随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理电路会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一个芯片之上。因此，信号调理电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分，如图1-1所示。


图1-1传感器的组成

其中，敏感元件（sensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 传感元件（transduction element）是指传感器中能将敏感元件的输出转换为适于传输或测量的电信号部分。实际上很多传感器都难以严格划分为敏感元件和传感元件两部分。因为某些传感器将感受的被测量直接转换为电信号，例如半导体气体传感器、测量温度的热电偶等，它们是将敏感元件和传感元件合二为一了。
信号调理电路（signal conditioner）的作用是将传感元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
1.1.3传感器的分类
传感器的种类繁多、不胜枚举，其分类方法很多。下面介绍常用的分类方法。
1. 按被测量分类
这种分类方法能够很方便地表示传感器的功能，也便于用户使用。有多少种被测量就会有多少种类型的传感器，如位移传感器、温度传感器、振动传感器等。
2. 按工作原理分类
这种分类方法是以传感器的工作原理为依据，如电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器等。其优点是避免了传感器种类过于繁多，有利于对传感器进行归纳性的研究。现多采用此种方法。
3. 按能源分类
传感器按能源分类可以分为有源传感器和无源传感器两类。
有源传感器犹如一台微型发电机，能将非电功率转换为电功率，传感器起能量转换的作用，因此又称为发电型传感器。如磁电式、压电式和热电式等传感器，其后续的信号调理电路通常是信号放大器。
无源传感器并不起换能作用，被测量仅对传感器中的能量起控制作用，必须有辅助能源（电源），如电阻应变式传感器、电感式传感器和电容式传感器等。无源传感器本身不是一个信号源，所以后续的信号调理电路通常是电桥或谐振电路。
4. 按结构性质分类
传感器按结构性质分类可以分为结构型传感器和物性型传感器两类。
结构型传感器是依靠传感器的结构参数变化而实现信号转换的。例如，变间隙的电容式传感器是依靠改变电容极板间距的结构参数来实现被测的位移量转换为传感器的电容量。
物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受被测量的，并转换为可用电信号。例如测量温度的热敏电阻传感器、测量湿度的半导体传感器以及光电式传感器、霍尔传感器等。
1.2传感器的地位与重要性
从茫茫太空，到浩瀚海洋； 从复杂工程，到日常生活； 从基础研究，到高新科技——几乎每一个领域，都离不开传感器技术。
1. 新的科学发现与技术发明需要传感器
科学上的发现和技术上的发明是从对事物的观察开始的。对事物的精细观察就要借助于仪器，就要利用传感器获取被观察对象的信息。验证科学理论和规律的正确性同样需要传感器。
2. 传感器是测控系统的首要环节
传感器处于被测对象与测控系统的接口位置，即测控系统之首。因此，传感器成为感知、获取信息的窗口。可以毫不夸张地说，没有精确的传感器，就没有精确的测控。
3. 国防和高科技的发展离不开传感器
兵器的引信实质就是完成引爆战斗部的传感器系统。现代引信同时采用几个传感器以分别监测环境和目标信息，从而更好地解决了安全、可靠、多功能和通用性问题。在现代战争中，传感器的精度与响应速度决定了武器系统的打击精度和反应能力。飞机、火箭、宇宙飞船从它的加工到装配一步也离不开传感器与测试技术。火箭、飞船上安装有大量的传感器以保证其正确的飞行轨道与状态。
科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖就越大。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已得到公认。
4. 工程技术领域必须依靠传感器
在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试验等，都必须依靠传感器。如在生产过程中，利用传感器对温度、压力、流量、位移、液位和气体成分等参量进行检测，从而实现对工作状态的控制； 利用传感器对高温、放射性污染及粉尘弥漫等恶劣工作条件下的过程参量进行远距离测量与控制，从而实现全自动化生产； 同时，在宇宙探测、海洋开发、环境保护、资源调查等尖端科学与工程领域，传感器正发挥巨大的潜力。
5. 现代生活离不开传感器
传感器已经进入了千家万户。如空调的温度、湿度控制传感器； 监控煤气和液化气溢出的一氧化碳气敏传感器； 防止火灾的烟雾传感器，路灯的声、光控传感器等； 洗衣机、电饭锅、洗碗机、冰箱、电视机、手机等都需要许多传感器。平均每一部现代汽车中装有100多个传感器，用于检测汽车运行中的状况，包括车速、车况、发动机运转工作状况及路面信息等，以便发动机处于最佳工作状态、排放废气污染为最小以及控制车身稳定使行车最安全。未来的智能住宅更将是一个传感器的集合体。
1.3传感器技术的发展途径与发展趋势
传感器技术的发展途径与发展趋势可用图1-2来描述。即发现新现象、开发新材料、采用新的加工方法、使用新技术，使传感器的精度更高、功能更强、测量范围更广，同时实现传感器的智能化、集成化、微型化、量子化和网络化。


图1-2传感器技术的发展途径与发展趋势

1.3.1传感器技术的发展途径
开发新型传感器的途径大致有以下几个方面。
1. 发现新现象
传感器的工作机理是基于各种效应、反应和物理现象的，所以发现新现象与新效应是发展传感器技术的重要工作，是研制新型传感器的重要基础，其意义极为深远。
2. 开发新材料
材料是传感器技术的重要基础。由于材料科学的进步，新功能材料的开发将导致新的传感器的出现。半导体材料研究的进展，促进了半导体传感器的迅速发展； 光导纤维的问世，产生了各种光纤传感器。
3. 采用新的加工方法
随着生产工艺水平的不断提高，新的加工方法不但使传感器的性能指标得以提高，应用范围得以扩大，还可加工出原有工艺不能制造的新型传感器。将硅集成电路技术加以移植并发展，形成了传感器的微细加工技术。这种技术能将电路尺寸加工到光波长数量级，并能形成低成本超小型传感器的批量生产。
4. 使用新技术
比如，利用红外焦平面阵列技术、分布式光纤传感器技术以及多传感器数据融合技术、模糊信息处理技术、人工神经网络技术等开发新一代多功能智能传感器。
1.3.2传感器技术的发展趋势
随着大规模集成电路技术、微型计算机技术、信息处理技术、各种制造工艺以及材料科学等现代科学技术的飞速发展，综合各种先进技术的传感器技术已进入了一个前所未有的发展阶段。
1. 传感器的精度更高、功能更强、测量范围更广
精度是传感器的永恒主题，随着科技的发展，各个领域对测量的精度要求越来越高。如，在尺寸测量范畴内，从绝对量来讲已经提出了纳米与亚纳米的要求，纳米测量已经不仅是单一方向的测量，而要求实现空间坐标测量。在时间测量上，相对精度10-14，最近国际上又开始了建立光钟时间基准的研究，相对精度为10-19，即3000亿年不差1秒。
在科学技术的进步与社会发展过程中，会不断出现新领域、新事物，需要人们去认识、探索和开拓。例如开拓外层空间、探索微观世界、了解人类自身的奥秘等。为此，需要测试的领域越来越多，环境越来越复杂，所有这一切都要求传感器具有更强的功能。
相对而言，一般常规测量技术相对比较成熟，而一些极端情况下的测量，例如超高温与超低温的测量、大尺寸及微纳尺寸的测量等则需要解决更多的技术问题。传感器正在向解决这些极端测量范围发展。
2. 传感器技术朝着智能化、集成化、微型化、量子化、网络化的方向发展
传感器智能化是指传感器与微处理器相结合，使之除了具有常规的检测与信息处理功能外，还具有自校准、自诊断、自学习、自决策、自适应等能力。目前，智能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量。另外，现在的军用智能传感器还大量采用了并行处理、模式识别等先进的信息处理方式，为提高传感器的性能开辟了新的天地。
集成化是指将敏感元件、信号调理电路及电源等部分集成在一个芯片上，从而使检测及信号处理一体化。或者将多个相同传感器配置在同一个平面上形成阵列，或者是研制能检测两个以上不同物理量的传感器。
微型传感器是以微机械电子系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）技术为基础，研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。在当前技术水平下，微切削加工技术已经可以生产出来具有不同层次的3D微型结构，从而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件。微型传感器已经在大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响； 目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、pH值、离子浓度及生物分子浓度等。
传感器向量子化方向拓展是指利用量子力学的一些效应研制用于检测极微弱信号的传感器。例如，利用核磁共振效应做成的磁敏传感器，可将量限扩展到地磁场的千万分之一； 利用约瑟夫逊效应做成的热噪声传感器，可测出0.000001K的超低温等。
传感器技术的网络化主要是将传感器技术、通信技术以及计算机技术相结合，从而构成网络传感器，实现信息采集、传输和处理的一体化。
另外，研究生物感观，开发仿生传感器，也是传感器引人注目的发展方向之一。许多生物具有功能奇特、性能优越的感观功能，例如，狗的嗅觉，鸟的视觉，蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉，蛇的接近觉等，这些生物的功能是当今传感器技术望尘莫及的。
思考题与习题
1-1什么是传感器？它由哪几部分组成？各部分的作用及相互关系如何？
1-2传感器的分类有哪几种？它们各适合在什么情况下使用？
1-3什么是物性型传感器？什么是结构型传感器？试举例说明。
1-4试分析传感器的地位和作用。
1-5改善传感器性能的技术途径主要有哪些？
1-6试分析传感器技术的发展趋势。








第2章传感器的理论与技术基础
随着人类活动领域的扩大和探索过程的深化，传感器已经成为基础科学研究与现代技术相互融合的新领域，它汇集和包含多种学科的成果。传感器的任务是信息感知，它涉及传感器设计、开发、加工/制造、测试、应用及评价等。传感器的理论与技术包含其基础效应、功能材料、加工工艺、静/动态特性以及标定等。
2.1传感器的基础效应
从原理上讲，传感器都是以物理、化学及生物的各种规律或效应为基础，因此了解传感器所基于的各种效应，对学习、研究和使用各种传感器是非常必要的。本节将介绍一些传感器的主要基础效应。另外，在本书的其他章节中介绍具体的传感器时，还将对某些效应及利用这些效应做成的传感器展开详细的讨论。
2.1.1光电效应
某些物质在光的作用下其电特性发生变化的现象称为光电效应（photoelectric effect）。根据这一效应的现象是发生在物体的表面还是发生在物体的内部，光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。
1. 外光电效应
在光照射下，物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应（external photoelectric effect），被释放的电子称为光电子，所以外光电效应又称为电子发射效应。它是由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。基于外光电效应制作的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子具有能量，每个光子的能量可表示为


E=hγ（2-1）


式中，h为普朗克常数，h=6.6261×10-34J·s； γ为光的频率，Hz。
根据爱因斯坦光电效应理论，一个电子只接受一个光子的能量。因此，要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功φ，超过的部分能量即表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定律


12mev2=hγ-φ（2-2）


式中，me为电子质量，me=9.1095×10-31kg； v为电子逸出速度,m·s-1； φ为逸出功，J。
上式即为爱因斯坦光电效应方程式。当mev2=0时，则φ=hγ。此时光电子逸出物体表面时具有的初速度为零，表明这个光子的能量传递给一个电子时仅够逸出的功，这个光子相应的单色光频率就是该物体产生光电效应的最低频率。因此，产生光电效应受最低频率的单色光的限制，这个最低频率称为物体（材料）的红限频率。若光速为c，那么红限频率对应的临界波长λ0=chφ。
显然，低于某物体红限频率的入射光线，不论它有多强，也不会使该物体发射光电子。因为光强再大，但光的频率低于红限频率，每个光子的能量低，不足以使吸收该光子的电子具有克服逸出功的能量； 反之，不论入射光多弱，只要它的频率高于其红限频率，该物体也能发射光电子，当然此时发射的光电子数目较少。
高于红限频率的入射光照射在物体上，通常不是每个光子都能轰出一个电子来，往往只有接近物体表面的那些电子才有更多的机会逸出物体表面。一定波长入射光的光子射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，通常用百分数来表示，称为量子效率。它直接反映了在该波长的光照下，物体光电效应的灵敏度。
2. 内光电效应
在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，从而增加物体的导电性或产生电动势、或产生光电流的现象，称为内光电效应（internal photoelectric effect）。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应两类。
（1） 光电导效应
某些物体（一般为半导体）受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应（photoconductive effect）。绝大多数的高电阻率半导体都具有光电导效应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻（亦称光电导管）等，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）、非晶硅（α-Si： H）等。



图2-1光电导效应机理

光电导效应的物理过程是： 在入射光的作用下，电子吸收光子能量，从价带（价电子占能带）激发越过禁带（不存在电子所占能带）到达导带（自由电子所占的能带），过渡到自由状态，致使导带内的电子和价带内的空穴浓度增大，从而使电导率增大，如图2-1所示。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg。
（2） 光生伏特效应
物体（一般指半导体）在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应（photo voltage effect）。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光电晶体管和半导体位置敏感器件（position sensitive detector，PSD）等。
光生伏特效应根据其产生电势的机理可分为以下几种。
① PN结光生伏特效应。光照射到距表面很近的半导体PN结时，PN结及附近的半导体吸收光能。若光子能量大于禁带宽度，则价带中的电子跃迁到导带，成为自由电子，而价带则相应成为自由空穴。这些电子空穴对在PN结内部电场的作用下，电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，结果P区带正电，N区带负电，形成光电动势。
② 侧向光生伏特效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散。如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照光部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。基于该效应工作的光电器件有PSD，或称反转光敏二极管。
③ 光磁电效应（photo-magneto-electric effects，PME effects）。半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的霍尔效应。利用光磁电效应可制成半导体红外探测器。这类半导体材料有锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、硫化铅（PbS）、硫化镉（CdS）等。
④ 贝克勒耳效应（Becquerel effect）。贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个相同电极中的任意一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒耳效应。感光电池的工作原理基于此效应。
2.1.2电光效应
物质的光学特性受外电场的影响而发生变化的现象，如某些各向同性的透明物质在电场作用下其光学特性受外电场影响而发生各向异性变化的现象统称为电光效应（electro-optical effect）。在电场作用下物质折射率发生变化的电光效应包括泡克耳斯效应和克尔效应。
1. 泡克耳斯效应
泡克耳斯效应(Pockels effect)1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射现象，称为电致双折射。折射率的变化与所加电场强度的一次方成正比，所以这种效应又称线性电光效应。
利用泡克耳斯效应制成电光调制器或电光开关，能以2.5×1010Hz的频率调制光束，如调制激光，可制成光纤电压、电场传感器。常用的具有泡克耳斯效应的压电材料有磷酸二氢钾（KH2PO4，KDP）等。
2. 克尔效应
克尔效应(Kerr effect)在1875年由英国物理学家J.克尔发现。光照射具有各向同性的透明物质（也可以是液体）时，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成“寻常”和“异常”两束出射光，称这种现象为电光克尔效应，因两个主折射率之差正比于电场强度的平方，故这种效应又称做平方电光效应。
玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，后来发现多种液体和气体都能产生克尔效应。电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9s内就可完成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的性质可用来制造几乎无惯性的光开关——光闸，在高速摄影、光纤和激光技术中获得了重要应用。
3. 光弹效应
光弹效应（photoelastic effect）也称应力双折射效应。某些非晶体物质（如环氧树脂、玻璃）在机械力的作用下，会获得各向异性的性质。如外力或振动作用于弹性体产生形变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。光弹效应的双折射是暂时的，应力解除后即消失。光弹效应可用于研究机械零件、建筑构件等物体内部应力的情况。
4. 电致发光效应
某些固态晶体如高纯度锗（Ge）、硅（Si）和砷化镓（GaAs）等化合物半导体在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷光）的现象，以及某些固态晶体如磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）等无须外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象统称为电致发光效应（electro luminescence effect）。电致发光是将电能直接转换为光能的过程。基于电致发光效应的器件有发光二极管、半导体激光器等。
5. 电致变色效应
某些材料在交替的高低或正负外电场的作用下，通过注入或抽取电荷（离子或电子），从而在低透射率的致色状态或高透色率的消色状态之间产生可逆变化的一种特殊现象，在外观性能上则表现为颜色及透明度的可逆变化。这种在电流或电场的作用下，材料发生可逆变色的现象，称为电致变色效应（electrochromic effect）。
基于电致变色效应的主要器件有信息显示器件、电致变色灵巧窗、无眩反光镜、电色储存器件、变色太阳镜等。这种器件具有的透光度可以在较大范围内随意调节，多色连续变化，还有存储记忆功能、驱动变色电压低、电源简单、省电、受环境影响小等特性，因此具有十分广阔的应用前景。
2.1.3磁光效应
置于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，其光学特性（如吸光特性、折射率等）发生变化的现象称为磁光效应（magneto-optical effect）。磁光效应主要有法拉第效应、磁光克尔效应、科顿-穆顿效应、塞曼效应和光磁效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
1. 法拉第效应
法拉第效应（Faraday effect）在1845年由M. 法拉第（Michel Faraday）发现。平面偏振光（即线偏振光）通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场（磁场方向与光传播方向平行）作用下的非旋光性物质时，其偏振光面发生偏转，这是由于磁场作用使直线偏振光分解成传播速度各异的左旋和右旋两束圆偏振光，因此从物质端面出射的合成偏振光将发生偏转。上述现象称为磁光法拉第效应或磁致旋光效应，也称法拉第旋转效应或磁圆双折射效应。
实验表明，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度θF与外磁场强度He和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即