電 子 傳 感 器
　　由于大規模集成電路等電子技術及信息處理功能的飛速發展,以
微型計算機為中心的微電子也以其磅礴之勢不斷向人類社會各個領域
擴散﹑滲透。極大程度地改變著人們的科技、生產方式和生活、社會
結構。
　　尤其是微型計算機的出現,科技界、產業界、防務與民用領域中
、各種各樣的電子設備都廣泛地用它作 “電腦”, 用以運算、處理
、裁決不同類型的問題。使其有關設備日漸實現自動化、系統化和智
能化。
　　與此同時,要求能夠迅速、準確、靈敏地將有關信息獲取并傳輸
到電子設備或系統的器件——電子傳感器、便顯得特別重要并得到了
很大發展。
　　如果把電子計算機比作人的 “大腦”,那么電子傳感器則酷似人
的“五官”(視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺),不過對傳感器的要
求要比人的五官高得多,它還要對人體無法或難于感知的量測量出來
,如紫外光,紅外光,電磁場,無味無嗅之氣體及特高溫、特壓、劇
毒物、各種微弱信號等,并能放大、處理、傳輸、存儲、顯示或作必
要的控制輸出。而作為感知無件的揚謂 “探頭 (PROBE)”,通常
稱之為 “敏感無件” 和英語中SENSOR 相當,而具有上述功能的器
件系統(其中也包含感知無件),則應和英語中TRANSDUCER 相似。
國內外(主要是中國和日本)有些學者也有時將這兩個概念混用,值
得我們注意。
　　在目前狀態下,與快速發展的電子計算機技術相比,傳感器技術
的發展顯得落后了,不論在性能上,品種上或規格、數量上,均遠不
能滿足要求,大有“大腦發達,五官遲鈍”之勢。急起直追,在揚必
行。近年來, 由于功能陶瓷、高分子薄膜等敏感材料的開發, 半導
體及細微加工技術的發展, 新型傳感器相繼涌現,傳感器理論及應
用系統也有了較大的發展。故傳感技術與信息處理技術之差距,已經
日漸縮小之趨勢。
　　早期出現的傳感器,多是利用構件的移動、伸縮等幾何尺寸與位
置的變化來測量物理量,再轉變成電磁量。如利用毛發、腸衣的伸縮
來感知濕度的變化,再進一步用以移動銜鐵來必變電感器,從而獲得
電磁信號;金屬膜伸縮來感知溫度的變化并轉變為電阻變化待。這類
傳感器常稱之為結構型傳感器。結構型傳感器雖屬早期開發的產品,
但近年來由于新材料、新原理、新工藝的相繼應用,在精確度、可靠
性、穩定性、靈敏度等方面也有了很大的提高。所以,目前結構型傳
感器在工業自動化、過程檢測與其它等方面仍占有相當大的比重。
　　隨著半導體陶瓷及有機高分子功能材料的不斷開發,使傳感器技
術別開生面,這些功能材料,在一定場合下可以直接感知某些等測的
非電或電物理量或生物量,并將之轉變為電信號。這些待測對象的被
感知,并不是通過結構的改變來實的,而只是敏感材料的改故常稱之
為物性型傳感器。盡管物性型傳感材料發展較晚,但它具結構簡單,
體積小,重量輕,反應靈敏,易于集成化、微型化等一系列優點、故
引起傳感技術界與科技界的高度重視。雖然目前還不夠完善,存在不
少問題有待解決,但確有較大的發展勢頭,方興未艾,前途不可限量
。本書揚述電子傳感器,是指通過電子學的原理及方法來獲取,轉換
,傳輸及外理被知量的傳感器,故將兼述結構型與物性型兩種傳器,
不過更多的注意力將集中在物性型傳感器上, 著重點在于敏感無件
方面。
　　電子傳感器作為一種獨立器件,當它和微電子技術與微處理技術
結合后,出現了新的突破�，F階段正朝著集成化,智能化的方向快發
展。如果把傳感無件與信號處理的電路集成到一塊芯片之上,就成了
信息型傳感器;如果能把微處理器也集成到同一芯片上,就成了智能
型傳感器。這不僅給敏感材料與敏感機理提出了高的要求,同時也對
半導體工藝與大規模集成技術提出了 更高的要求。傳感器技術是一
門學科交叉型和知識密集型的應用技術。它要求既要探索和了解傳感
技術,又要研究和制作敏感材料;既要熟悉待測對象各種變化習性,
又要把所獲取信號放大、傳輸、儲存、反饋、處理、顯示等。
　　新型傳感器的研制過程,往往是某種新原理、新交應的發現或新
材料的應用,對該材料的組成、結構和性能之間的關系進行系統規律
的研究過程。然后配以合適的加工工藝,將其制造成結構合理的傳感
元件,進而裝配成能起到檢測信號的感器。通常將上述過程稱之為傳
感器的“硬件”技術。對于傳感器的實際應用來說,還有傳感器的標
定技術,即通過實驗的方法以確定傳感器的各種特性指標;抗干擾技
術,即提高傳感器的信噪比,以減少測量誤差等;接口技術,即是與
微型計算機組成的傳感系統。后三者又被稱為傳感器的“軟件”技術
。理想的傳感器硬件技術與軟件技術相配合,可將從待測對象中獲取
信號的豐富僦息,作出合理的僦息處理和區別,從而擴大其功能,提
高其靈敏度、準確度和識別能力。智能傳感器, 往往也就是智能機
器人的一個重要組成部分,正引起人們的極大關注和著力研究開發。
本書限于專業性質和有限篇幅,主要只涉及傳感器的硬件部分,且更
多地是對傳感元件的描述。
　　為了使傳感器使于研究開發、設計生產和推廣應用,人氽曾試圖
從不同的角度對傳感器進行分類歸納,下面列舉數例。
　　1、 按傳感器的機理及轉換形式分類有結構型、物性型、數字
(頻率)型、量子型、信息型和智能型。
　　2、 按敏感材料分類有半導體型(主要是元素硅或Ⅲ—V族、Ⅱ
—VI族化合物)、功能陶瓷型(主要是電子型半導體瓷、壓電瓷、快
離子導體瓷)、功能高聚物型(主要是各種高分子有機半導體、壓電
體)等。
　　3、 按測量對象參數分類有光傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器
、磁傳感器、壓力(壓強)感器、振動傳咸器、超聲波傳感器等。
　　4、 按應用領域分類有機器人傳感器、醫用(生物)感器、環保
傳感器、各種過和檢測傳感器等。
　　一般地說,前兩種分類方法便于傳感器的研究制造;后兩種分類
方法有利于選擇用,不過任何一種分類方法都不是絕對的,都不同和
度地帶有局限性、就觀性或隨意性。本書結合專業特點,為方便選擇
、應用起見基本上按第三種方法進行分類,注要講述力傳感器、溫度
傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器、光傳感器、磁傳感器和電壓敏傳
感器等七大類。本來后者在國外傳感器書刊中均不列入,即電壓敏感
元件只作為一種非線性電阻或變阻器(VARISTOR),而不把它當作敏
感元件(SENSOR)或傳感器(TRANS-DUCER)來看待,但是國內多年
來一直把壓敏感元件,考慮到這種情況,本書也把該部中,本書將力
圖講清傳感器的工作原理與基本特性,說明各種材料的宏觀特性與微
觀結關系;工藝因素對材料結構及傳感器電氣性能的影響;對各類傳
感器的結構與制造技術,也給矛適當的注意。本書內容涉及面廣,各
章均有一定的獨立性,可以適應不同專業的廣大讀者的需求。
　　一、 力傳感器
　　力學量傳感器主要是用于測量力、加速度、扭矩、壓力、流量等
物理量。這些物理量的測量都與機械應力有關,所以把這類傳感器稱
為力學量傳感器。力學量傳感器的種類繁多,應用較為普遍的有:電
阻式、電容式、 變磁阻式、振弦式、壓阻式、壓電式、光纖式等。
不同類型的力學量傳感器所涉及的原理、材料、特性及工藝也各不相
同,本章不可能一一闡述。這里只準備對金屬應片、壓阻式力學量傳
感器、壓電式力學量傳感器中用較廣、較為典型的一些類型進行討論
。
　　二、 溫度傳感器
　　熱量及與之相關的溫度是與人類生活關系最為密切的物理量,也
是人類研究最早、檢測方法最多的物理量之一。自古以來,許多測量
應變法已為人們所熟知。隨著社會的發展與進步,溫檢測的重要性日
益提高,溫度傳感器的應用范圍也日益擴大。在工業、農業、交通運
輸、防災、醫療、空間及海洋開發、家用電器等各個領域中都離不開
溫度傳感器。
　　近年來,隨著電子計算機技術的顯著進步,對溫度傳感器的要求
越來越高。高精度、高穩定性垢產品需求量不斷擴大,因此,高性能
的溫度傳感器的開及應用,更加引起人們的重視。溫度傳感器按使用
的方式可分成二大類:測溫時使傳感器與被測物體直接接觸的稱為接
觸型溫度傳感器;傳感器與被測物體不接,而是利用被測物發出的熱
輻射來測量的稱為非接觸型溫度傳感器。
　　三、 氣體傳感器
　　隨著近代工業的進步,特別是石油、化工煤炭、汽車等工業部門
的迅速發展,使人類的生活以及社會活動都發生了相應的變化。被人
們所利用的和在生活、工業上排放出的氣體種類、數量都日益增多。
這些氣體,許多都是易燃、易爆(例如氫氣、煤礦瓦斯、天然氣、液
化石油氣等)或者對于人體有毒害的(例如一氧化碳、氟里昂、氨氣
等)。它們如果泄漏到空氣中,就會污染環境、影響生態平衡、甚至
導致發生爆炸、火災、中毒等災害性事故。為了保護人類賴以生存的
自然環境,防止不幸事故的發生,需要對各種有害、可燃性氣體在環
境中存在的情況進行有效的臨控。
　　氣體敏感元件就是能感知環境中某種氣體及其濃度的一種裝置或
者器件。氣體傳感器能將氣體種類及其濃度有關的僦息轉換成電氣信
號(電流或者電壓)。根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體
在環境中存在情況有關的信息,從而可以進行檢測、臨控、報警;還
可以通過接口電路與電子計算機或者微處理機組成自動檢測、控制和
報警系統。主要類型的氣體敏感元件如表3—1所示。

　　四、 濕度傳感器

　　濕度,通常是指空氣中水蒸汽的含量。人們的日常生活和工農業
生產,以及動植物的生長和生存,都與周圍環境濕度有著密切的關系
,在自然界中,對于人類的生存,環境的濕度有著同等的重要意義。
　　在人的生活環境中,如果空氣太潮濕, 將使人們感到沉悶和窒
息;如果空氣太干燥,又會使人的口腔感到不適,甚至可能發生咽喉
炎等疾病。為了給人們創造舒適的生活環境,相對濕度應控制在(
50~70)%RH的范圍內,所以房間的空調,要控制溫度,也要控制濕度
;在國防方面,槍只蛋藥、軍用儀器、武器裝備等都不能受潮,對軍
用倉庫必須對溫度控進行自動檢測與控制。近來,美國人認為集成電
路的失效與濕度關系很大,為確保軍用電子器件的高可靠性,把微濕
傳感器與成電路封裝在一起,臨測其早期失效;在工業生產中,濕度
的測控直接關系到產品的質量,精密儀器、半導體集成電路與元器件
制造場所,濕度的測控就顯得更為重要;此外,濕度測控在氣象預報
、醫療衛生、食品加工等行業都有廣泛的應用,表4—1列舉了需測濕
度的場合與測量范圍。

　　五、 光傳感器

　　光傳感器,亦稱光敏傳感器,或稱光電式傳感器及光電探測器。
它是一種能量轉換器件,是利用各種手段將光能量變換成相的電號的
器件,即把入電磁輻射能量(或稱光能)轉成電能,通過對電能的精
密測量,了解到該入射輻射能量的大和性質,從中達到探測輻射(或
光)能量的存在的所攜帶的信息。
　　在自 然界中,有許多物質,當輻射照射后,它會使本身的電學
性質發生變化。實踐表明,這種變化的數量和入射輻射的強度,具有
嚴格的對應關系�，F在對電學和電子學的測量并不是一件困難的事,
準確地測量電流、電壓、頻率等都很容易。因此,通過對電學量的簡
單測量,可把輻射量的存在,以及它所攜帶的僦息探測出來。具有這
種性質的材料稱為光敏材料。用光敏材料制作成的探測器件并通過它
可間接檢測到光輻射所載的原始信息,就稱為光傳感器件,如圖5—
1所示。
　　光敏傳感器是將光信號變成電信號的一種器件。主要是利用各種
光電效應制成的無源光敏器件,如外光電效應的光電二極管和光電倍
增管,利用內光電效應的光導管,以及應用光生電勢效應的光敏二極
管、光敏三極管、光電池等。新發展的光敏傳感器主要有光纖傳感器
及CCD圖像傳感器。其中光纖傳感器是有源光敏傳感器。
　　無論是有源光敏傳感器還是無源傳感器,它們的特點是:右靠性
高、搞干擾能力強。不受電磁輻射影響以及本身也不輻射電磁波和沒
有火花產生。光敏傳感器除了可以直接檢測光信號外,它也可間接測
量溫度、壓力、速高深莫測、加速度、位移等。近年來發展起來年彩
電CCD圖像傳感器,可傳真各種彩色圖像,代替人的眼睛功能,稱之
“人工眼”。因此,光敏傳感器雖是各類傳感器中發展最遲的一類,
但其發殿速度之快,以及其應用之廣,都超過其它,并且還有很大潛
力。

　　光傳感器分為以不三大類:
　　它是應用光敏材料的炮電效制作成的無源光敏器件。根據光電效
應的機理,又可分為外光電效消耗及內光電效應二種器件。外光電效
應器件有光電二極管(真空)、興電倍增管等。內光電效器件有光導
管、光敏電阻等。

　　它是指器件對光譜中長波長(如紅外光)敏感的器件。紅外光敏
器件材料主要輻射的熱敏感,即使材料的固體晶格擾動產生固體本身
的電學性質(電阻等)變化或者產生熱電動勢,諸如熱釋電探測器。

　　這是一種有源的光敏傳感器,它利用發光管(LED)或激光管(
LD)發射的光,經光導纖傳輸到被檢測對象,經調制后,光沿著光導
纖維反射到光接收器,光接收器則將調制過的光束解調后變成電信號
。

　　六、 磁傳感器

　　磁傳感器是一種具有將磁學量信號轉換為電信號功能的器件或裝
置。利用磁學量與其它物理量的變換關系,以磁場作為媒介,也可將
其它非電物理量轉變為電信號磁傳感器的種類很多,一般可分為物性
型和結構型兩種類型。由于篇幅限制,在本章中只研究物性型磁傳感
器,如霍爾器件、霍爾集成電路、磁敏二極管和三極管、半導體磁敏
電阻與傳感器、強性金屬磁敏器件與傳感器等。而不研究其它的結構
型磁傳感器,如電式傳感器的磁電式傳感器等。
　　霍爾器件和霍爾集成電路是目前國內外應用較為廣泛的一種磁傳
感器。前者是分立型結構,后者是將它與放大器等制作在一片半導體
材料上的成電路型結構。兩者相比,霍爾集成電路則更有微型化、可
靠性高、壽命長、功耗低,以及負載能力強等優。


　　七、 電壓敏傳感器
　　電壓敏傳感器是指電阻什隨電壓而變化的電壓敏感元件,簡稱壓
敏元件。由于壓敏元件不屬于非電量與電量的就業換類型,且迄今其
主要應用領域不是信息的檢測和攝取,故目前國外文獻和研究工作者
一般未將其列入傳感器和范疇,只是在早期的有些國外文獻和我國學
術界,從廣義的傳感器定義出發,將壓敏元件列為傳感器的一個品種
。我國從70年代初開始研制壓敏元件,現已有相當的生產規模,技術
比較成熟,基本上能滿足國內各個領域對電壓敏感元件的需求。本章
就要介紹電壓敏感元件的基本性級、產品類型和應用方式。

　　電壓敏感元件是在溫度不變的條件下,當外加電壓增大到某一數
值以后,其電阻值急劇下降的一種電阻器。由于它的電阻值隨電壓變
化很敏感,所以我國稱之為壓敏電阻器,國外則稱它為可變電阻器(
VARISTOR)。這種電壓敏感元件的電流—電壓之間有典型的非線性關
系,如圖7—1所示,所心在很多場合又稱它為非線性電阻器。從圖
7—1可見,不同類型的壓敏元件,其伏-安特性曲線的形狀有很大的
差別。這種差別表明它們偏離線性關系程度不同,我們可用非線性指
數來表征。