第1章傳感器原理

傳感器原理及應(yīng)用光電工程學(xué)院2012年緒論一、傳感器的作用在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、能源、交通、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事等，傳感器幾乎應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。在蓬勃發(fā)展的我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的推動(dòng)下，傳感器已形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，并在技術(shù)創(chuàng)新、自主研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和競(jìng)爭(zhēng)能力等方面有了長(zhǎng)足進(jìn)展，為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。緒論傳感器的發(fā)展動(dòng)態(tài)我國(guó)在傳感器技術(shù)研究方面，正在逐漸縮小與國(guó)外的差距，一批基于MEMS技術(shù)的新型傳感器正在進(jìn)入市場(chǎng)，在各領(lǐng)域中不斷拓寬應(yīng)用范圍，設(shè)計(jì)技術(shù)、材料控制技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、可靠性技術(shù)和測(cè)試技術(shù)不斷發(fā)展成熟，量產(chǎn)能力逐步提高。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的條件下，我國(guó)生產(chǎn)的傳統(tǒng)傳感器，如力學(xué)量傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、光學(xué)傳感器、電壓敏傳感器，產(chǎn)銷(xiāo)形勢(shì)穩(wěn)中有升，不僅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的份額逐步增長(zhǎng)，還同時(shí)滿(mǎn)足了部分國(guó)外市場(chǎng)的需求。國(guó)外著名咨詢(xún)公司的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，2010年全球傳感器市場(chǎng)達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的依舊是汽車(chē)市場(chǎng)，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，通訊市場(chǎng)也有良好的發(fā)展前景。據(jù)“中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院微電子研究所”預(yù)測(cè)，2010年我國(guó)傳感器市場(chǎng)銷(xiāo)售額將達(dá)到632億元。緒論緒論當(dāng)前，我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段，它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的總趨勢(shì)。傳感器產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展前景歸納起來(lái)，主要特點(diǎn)是：加速形成從傳感器研究開(kāi)發(fā)到大生產(chǎn)一條龍產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式；量大面廣的通用傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)億只計(jì)，一些中檔傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)1000萬(wàn)只計(jì);而一些高檔傳感器和專(zhuān)用傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)幾十至幾百萬(wàn)只計(jì)。MEMS傳感器市場(chǎng)MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)MOEMS（Micro－Optic－Electro－Mechanical－System）

隨著國(guó)際MEMS傳感器市場(chǎng)從高端產(chǎn)品向消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)轉(zhuǎn)移，中國(guó)的MEMS傳感器市場(chǎng)將加速繁榮。MEMS傳感器除了用于工業(yè)交通等部門(mén)外，新興應(yīng)用市場(chǎng)是汽車(chē)、通信、辦公設(shè)備、移動(dòng)電話(huà)等。對(duì)于在全球消費(fèi)電子市場(chǎng)中占據(jù)重要地位的中國(guó)市場(chǎng)，2009年國(guó)內(nèi)MEMS傳感器市場(chǎng)有3500萬(wàn)～4500萬(wàn)顆的需求量。汽車(chē)傳感器市場(chǎng)

一輛普通家用轎車(chē)上大約安裝幾十只傳感器，豪華轎車(chē)上的傳感器數(shù)量可多達(dá)200余只。而目前，中國(guó)已經(jīng)躍居世界第二大汽車(chē)市場(chǎng)，成為僅次于美國(guó)的第二大汽車(chē)消費(fèi)國(guó)。所以說(shuō)，中國(guó)市場(chǎng)更是車(chē)用傳感器發(fā)展的沃土。近幾年來(lái)，中國(guó)傳感器的市場(chǎng)一直持續(xù)增長(zhǎng)。2010年汽車(chē)MEMS增長(zhǎng)28%，2011年增長(zhǎng)16%。從2010年開(kāi)始算起，五年復(fù)合年度增長(zhǎng)率約為10%。壓力傳感器，加速計(jì)，陀螺儀和流量傳感器，幾乎占了整個(gè)汽車(chē)MEMS市場(chǎng)銷(xiāo)售額的99%。ESC-電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

二、傳感器及傳感技術(shù)傳感器的作用:人-機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖外界對(duì)象感官傳感器人腦微機(jī)肢體執(zhí)行器“電五官”傳感器定義（Sensor）

傳感器：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律和精度轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置.（GB7665-87）書(shū)-是將各種非電量(包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。輸入量是物理量、化學(xué)量和生物量——信息量。輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示）輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關(guān)系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿(mǎn)足測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。傳感器也稱(chēng)為：變換器、換能器或探測(cè)器三、傳感器的組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路輔助電源輸出量（電量）輸入量非電量敏感元件：非電量——易變換成電量的非電量；轉(zhuǎn)換元件：將感受的非電量直接轉(zhuǎn)換為電量的器件；測(cè)量電路：經(jīng)轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變換成便于顯示、記錄、控制和處理的電信號(hào)。四、傳感器的分類(lèi)1.按輸入量分類(lèi)傳感器種類(lèi)繁多，原理各異，幾乎涉及各種參數(shù)，分類(lèi)未統(tǒng)一輸入量：溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等傳感器，分別稱(chēng)：溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度傳感器2.按測(cè)量原理分類(lèi)

物理型傳感器、化學(xué)型傳感器、生物型傳感器物理型傳感器：利用某些變換元件的物理性能或某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器。物理型傳感器又分為：結(jié)構(gòu)型傳感器（幾何尺寸）物性型傳感器（物理性質(zhì)）3.按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。五、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)目前，傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)：一是開(kāi)展基礎(chǔ)研究，探索新理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化和智能化。傳感器的固態(tài)化傳感器的集成化和多功能化——采用微細(xì)加工技術(shù)傳感器的圖像化——CMOS、CCD傳感器的智能化——傳感器+計(jì)算機(jī)本課程的任務(wù)和目的掌握常用傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路及典型應(yīng)用。目的：合理選擇和使用傳感器。對(duì)傳感器技術(shù)問(wèn)題有一定的分析和處理能力。知曉傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向。第一章傳感器的一般特性一個(gè)高精度的傳感器必須有好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。1.1傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性：傳感器在測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，輸入-輸出之間的關(guān)系；方程：1.1傳感器的靜態(tài)特性一、線(xiàn)性度ΔYmax非線(xiàn)性誤差（線(xiàn)性度）理想：Y=aX傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線(xiàn)性程度。線(xiàn)性度：傳感器校準(zhǔn)曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)間的最大偏差與滿(mǎn)量程輸出值的百分比。xyxmaxymax0ymin1、端基法（端點(diǎn)連線(xiàn)）端基法：將傳感器的輸出兩個(gè)端點(diǎn)連接起來(lái)作為傳感器特性的擬合直線(xiàn)。簡(jiǎn)單、精度低使用在曲線(xiàn)非線(xiàn)性小2、最小二乘法最小二乘法：擬合精度最高目前最常用的方法二、靈敏度傳感器的靈敏度：只達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)輸出變化量與輸入變化量之比。線(xiàn)性傳感器校準(zhǔn)曲線(xiàn)的斜率就是靜態(tài)靈敏度K“非線(xiàn)性傳感器的靈敏度用dY/dX表示，其數(shù)值等于所對(duì)應(yīng)的最小二乘法擬合直線(xiàn)的斜率”（書(shū)）三、精確度（精度）反映傳感器測(cè)量量的可靠程度稱(chēng)為精度對(duì)應(yīng)在指標(biāo)有精密度、正確度、精確度精密度：在同一時(shí)間多次測(cè)量，其結(jié)果的分散程度?！獙?duì)應(yīng)隨機(jī)誤差正確度：說(shuō)明測(cè)量結(jié)果偏離真值大小的程度?！獙?duì)應(yīng)系統(tǒng)誤差精確度：測(cè)量的綜合優(yōu)良程度。

——對(duì)應(yīng)精密度+正確度傳感器精度等級(jí)以系列標(biāo)準(zhǔn)百分值進(jìn)行分檔（0.001，0.005，………1,……5,10……)（a）精密度低（b）正確度低而精密度高（c）精確度高在測(cè)量中我們希望得到精確度高的結(jié)果精確度：是精密度與正確度兩者的總和，精確度高表示精密度和正確度都比較高。在最簡(jiǎn)單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。四、最小檢測(cè)量和分辨力最小檢測(cè)量：指?jìng)鞲衅髂艽_切反映被測(cè)量。分辨率：（無(wú)量綱）分辨力：最小量程的單位值表示（有量綱）五、遲滯遲滯：在相同工作條件下作全測(cè)量范圍校準(zhǔn)時(shí)，同一次校準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值的最大偏差。用輸出值的最大偏差或一半與滿(mǎn)量程輸出值的百分比表示。六、重復(fù)性重復(fù)性：在同一條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次(3次以上）所得特性曲線(xiàn)的不一致性。K=2~3七、零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移：傳感器無(wú)輸入時(shí)，其輸出值相對(duì)于0的波動(dòng)。零漂=最大波動(dòng)/量程X100%八、溫漂（溫度漂移）溫漂：表示溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以單位溫度變化的最大偏差與滿(mǎn)量程的百分比表示。穩(wěn)定性(零漂)沖擊與振動(dòng)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性蠕變溫漂分辨力電磁場(chǎng)線(xiàn)性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響輸出1.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性：指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性?！禽敵鲋的軌蛘鎸?shí)地再現(xiàn)隨時(shí)間變化的輸入量能力的反應(yīng)。動(dòng)態(tài)特性用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，通常對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)主要有三種形式：時(shí)域中的微分方程復(fù)域中的頻率特性F(S)頻率域中的頻率特性F(jw)

一、動(dòng)態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型線(xiàn)性系統(tǒng)可以用常系數(shù)線(xiàn)性微分方程表示：對(duì)微分方程求解，可以得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)指標(biāo)Y(t)——輸出量；X(t)——輸入量t,——時(shí)間；a,b——常數(shù)通常傳感器輸入輸出的關(guān)系1~2階利用拉普拉斯變換可以得到：1、零階傳感器的數(shù)學(xué)模型零階微分方程：式中：K——靜態(tài)靈敏度零階傳感器對(duì)任何頻率的信號(hào)都沒(méi)有相位改變和增益改變。一階傳感器的微分方程2、一階傳感器的數(shù)學(xué)模型上式兩邊都除以a0，得

式中：τ——時(shí)間常數(shù)，τ＝a1／a0；

k——靜態(tài)靈敏度，k

＝b0／a0。在動(dòng)態(tài)特性分析中，k只起著輸出量增加k倍的作用。因此為了方便起見(jiàn)，在討論任意階傳感器時(shí)可采用

k＝1，這種處理方法稱(chēng)為靈敏度歸一化。一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

線(xiàn)性非時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的常系數(shù)線(xiàn)性微分方程：其系統(tǒng)函數(shù)：頻率特性為：幅頻特性為：相頻特性為：時(shí)間常數(shù)τ越小，頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)ωτ?1時(shí)，A(ω)≈1，它表明傳感器輸出與輸入為線(xiàn)性關(guān)系φ(ω)很小，tanφ≈φ，φ(ω)≈ωτ，表