傳感器的定義和分類
1.1傳感器
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(yīng)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(yīng)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(guān)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(xué)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(guān)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(xué)者認為傳感器應(yīng)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(dān)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(xué)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(xué)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(biāo)示。
各種物理效應(yīng)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(yīng)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(xué)傳感器——味覺
壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺
與當(dāng)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(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(對噪聲不敏感)
線性 容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡易)
高精度 高可靠性
無遲滯性 工作壽命長(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、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力
選擇性 安全性(傳感器應(yīng)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(xué)效應(yīng))；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(xué)傳感器二大類，其分類示于圖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)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。
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(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運作的?；瘜W(xué)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(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。
常見傳感器的應(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 可被測定的非電學(xué)量
敏力電阻， 熱敏電阻(NTC PTC) 力，重量，壓力，加速度，溫度，濕度，氣體
半導(dǎo)體傳感器阻值變化
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，旋進數(shù)，轉(zhuǎn)矩，磁場
霍爾傳感器 霍爾效應(yīng) 角度，旋進度，力，磁場
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，傳感器可分類為：
壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器
液面?zhèn)鞲衅?nbsp; 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(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：
模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。
數(shù)字傳感器——將被測量的非電學(xué)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(guān)傳感器——當(dāng)一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電電平或
高電平信號。
在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。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(yīng)用的材料觀點出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：
(1)按照其所用材料的類別分
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
(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(guān)的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向：
(1)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)來改進傳感器技術(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(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(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(yīng)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(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(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
開發(fā)和生產(chǎn)所需的資金投入 很高 高 中 低
規(guī)模生產(chǎn)每只傳感器生產(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 低 高 中等 高
（轉(zhuǎn)載）
