电 子 传 感 器
　　由于大规模集成电路等电子技术及信息处理功能的飞速发展,以
微型计算机为中心的微电子也以其磅礴之势不断向人类社会各个领域
扩散﹑渗透。极大程度地改变着人们的科技、生产方式和生活、社会
结构。
　　尤其是微型计算机的出现,科技界、产业界、防务与民用领域中
、各种各样的电子设备都广泛地用它作 “电脑”, 用以运算、处理
、裁决不同类型的问题。使其有关设备日渐实现自动化、系统化和智
能化。
　　与此同时,要求能够迅速、准确、灵敏地将有关信息获取并传输
到电子设备或系统的器件——电子传感器、便显得特别重要并得到了
很大发展。
　　如果把电子计算机比作人的 “大脑”,那么电子传感器则酷似人
的“五官”(视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉),不过对传感器的要
求要比人的五官高得多,它还要对人体无法或难于感知的量测量出来
,如紫外光,红外光,电磁场,无味无嗅之气体及特高温、特压、剧
毒物、各种微弱信号等,并能放大、处理、传输、存储、显示或作必
要的控制输出。而作为感知无件的扬谓 “探头 (PROBE)”,通常
称之为 “敏感无件” 和英语中SENSOR 相当,而具有上述功能的器
件系统(其中也包含感知无件),则应和英语中TRANSDUCER 相似。
国内外(主要是中国和日本)有些学者也有时将这两个概念混用,值
得我们注意。
　　在目前状态下,与快速发展的电子计算机技术相比,传感器技术
的发展显得落后了,不论在性能上,品种上或规格、数量上,均远不
能满足要求,大有“大脑发达,五官迟钝”之势。急起直追,在扬必
行。近年来, 由于功能陶瓷、高分子薄膜等敏感材料的开发, 半导
体及细微加工技术的发展, 新型传感器相继涌现,传感器理论及应
用系统也有了较大的发展。故传感技术与信息处理技术之差距,已经
日渐缩小之趋势。
　　早期出现的传感器,多是利用构件的移动、伸缩等几何尺寸与位
置的变化来测量物理量,再转变成电磁量。如利用毛发、肠衣的伸缩
来感知湿度的变化,再进一步用以移动衔铁来必变电感器,从而获得
电磁信号;金属膜伸缩来感知温度的变化并转变为电阻变化待。这类
传感器常称之为结构型传感器。结构型传感器虽属早期开发的产品,
但近年来由于新材料、新原理、新工艺的相继应用,在精确度、可靠
性、稳定性、灵敏度等方面也有了很大的提高。所以,目前结构型传
感器在工业自动化、过程检测与其它等方面仍占有相当大的比重。
　　随着半导体陶瓷及有机高分子功能材料的不断开发,使传感器技
术别开生面,这些功能材料,在一定场合下可以直接感知某些等测的
非电或电物理量或生物量,并将之转变为电信号。这些待测对象的被
感知,并不是通过结构的改变来实的,而只是敏感材料的改故常称之
为物性型传感器。尽管物性型传感材料发展较晚,但它具结构简单,
体积小,重量轻,反应灵敏,易于集成化、微型化等一系列优点、故
引起传感技术界与科技界的高度重视。虽然目前还不够完善,存在不
少问题有待解决,但确有较大的发展势头,方兴未艾,前途不可限量
。本书扬述电子传感器,是指通过电子学的原理及方法来获取,转换
,传输及外理被知量的传感器,故将兼述结构型与物性型两种传器,
不过更多的注意力将集中在物性型传感器上, 着重点在于敏感无件
方面。
　　电子传感器作为一种独立器件,当它和微电子技术与微处理技术
结合后,出现了新的突破。现阶段正朝着集成化,智能化的方向快发
展。如果把传感无件与信号处理的电路集成到一块芯片之上,就成了
信息型传感器;如果能把微处理器也集成到同一芯片上,就成了智能
型传感器。这不仅给敏感材料与敏感机理提出了高的要求,同时也对
半导体工艺与大规模集成技术提出了 更高的要求。传感器技术是一
门学科交叉型和知识密集型的应用技术。它要求既要探索和了解传感
技术,又要研究和制作敏感材料;既要熟悉待测对象各种变化习性,
又要把所获取信号放大、传输、储存、反馈、处理、显示等。
　　新型传感器的研制过程,往往是某种新原理、新交应的发现或新
材料的应用,对该材料的组成、结构和性能之间的关系进行系统规律
的研究过程。然后配以合适的加工工艺,将其制造成结构合理的传感
元件,进而装配成能起到检测信号的感器。通常将上述过程称之为传
感器的“硬件”技术。对于传感器的实际应用来说,还有传感器的标
定技术,即通过实验的方法以确定传感器的各种特性指标;抗干扰技
术,即提高传感器的信噪比,以减少测量误差等;接口技术,即是与
微型计算机组成的传感系统。后三者又被称为传感器的“软件”技术
。理想的传感器硬件技术与软件技术相配合,可将从待测对象中获取
信号的丰富僦息,作出合理的僦息处理和区别,从而扩大其功能,提
高其灵敏度、准确度和识别能力。智能传感器, 往往也就是智能机
器人的一个重要组成部分,正引起人们的极大关注和着力研究开发。
本书限于专业性质和有限篇幅,主要只涉及传感器的硬件部分,且更
多地是对传感元件的描述。
　　为了使传感器使于研究开发、设计生产和推广应用,人氽曾试图
从不同的角度对传感器进行分类归纳,下面列举数例。
　　1、 按传感器的机理及转换形式分类有结构型、物性型、数字
(频率)型、量子型、信息型和智能型。
　　2、 按敏感材料分类有半导体型(主要是元素硅或Ⅲ—V族、Ⅱ
—VI族化合物)、功能陶瓷型(主要是电子型半导体瓷、压电瓷、快
离子导体瓷)、功能高聚物型(主要是各种高分子有机半导体、压电
体)等。
　　3、 按测量对象参数分类有光传感器、湿度传感器、温度传感器
、磁传感器、压力(压强)感器、振动传咸器、超声波传感器等。
　　4、 按应用领域分类有机器人传感器、医用(生物)感器、环保
传感器、各种过和检测传感器等。
　　一般地说,前两种分类方法便于传感器的研究制造;后两种分类
方法有利于选择用,不过任何一种分类方法都不是绝对的,都不同和
度地带有局限性、就观性或随意性。本书结合专业特点,为方便选择
、应用起见基本上按第三种方法进行分类,注要讲述力传感器、温度
传感器、气体传感器、湿度传感器、光传感器、磁传感器和电压敏传
感器等七大类。本来后者在国外传感器书刊中均不列入,即电压敏感
元件只作为一种非线性电阻或变阻器(VARISTOR),而不把它当作敏
感元件(SENSOR)或传感器(TRANS-DUCER)来看待,但是国内多年
来一直把压敏感元件,考虑到这种情况,本书也把该部中,本书将力
图讲清传感器的工作原理与基本特性,说明各种材料的宏观特性与微
观结关系;工艺因素对材料结构及传感器电气性能的影响;对各类传
感器的结构与制造技术,也给矛适当的注意。本书内容涉及面广,各
章均有一定的独立性,可以适应不同专业的广大读者的需求。
　　一、 力传感器
　　力学量传感器主要是用于测量力、加速度、扭矩、压力、流量等
物理量。这些物理量的测量都与机械应力有关,所以把这类传感器称
为力学量传感器。力学量传感器的种类繁多,应用较为普遍的有:电
阻式、电容式、 变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。
不同类型的力学量传感器所涉及的原理、材料、特性及工艺也各不相
同,本章不可能一一阐述。这里只准备对金属应片、压阻式力学量传
感器、压电式力学量传感器中用较广、较为典型的一些类型进行讨论
。
　　二、 温度传感器
　　热量及与之相关的温度是与人类生活关系最为密切的物理量,也
是人类研究最早、检测方法最多的物理量之一。自古以来,许多测量
应变法已为人们所熟知。随着社会的发展与进步,温检测的重要性日
益提高,温度传感器的应用范围也日益扩大。在工业、农业、交通运
输、防灾、医疗、空间及海洋开发、家用电器等各个领域中都离不开
温度传感器。
　　近年来,随着电子计算机技术的显著进步,对温度传感器的要求
越来越高。高精度、高稳定性垢产品需求量不断扩大,因此,高性能
的温度传感器的开及应用,更加引起人们的重视。温度传感器按使用
的方式可分成二大类:测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接
触型温度传感器;传感器与被测物体不接,而是利用被测物发出的热
辐射来测量的称为非接触型温度传感器。
　　三、 气体传感器
　　随着近代工业的进步,特别是石油、化工煤炭、汽车等工业部门
的迅速发展,使人类的生活以及社会活动都发生了相应的变化。被人
们所利用的和在生活、工业上排放出的气体种类、数量都日益增多。
这些气体,许多都是易燃、易爆(例如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液
化石油气等)或者对于人体有毒害的(例如一氧化碳、氟里昂、氨气
等)。它们如果泄漏到空气中,就会污染环境、影响生态平衡、甚至
导致发生爆炸、火灾、中毒等灾害性事故。为了保护人类赖以生存的
自然环境,防止不幸事故的发生,需要对各种有害、可燃性气体在环
境中存在的情况进行有效的临控。
　　气体敏感元件就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或
者器件。气体传感器能将气体种类及其浓度有关的僦息转换成电气信
号(电流或者电压)。根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体
在环境中存在情况有关的信息,从而可以进行检测、临控、报警;还
可以通过接口电路与电子计算机或者微处理机组成自动检测、控制和
报警系统。主要类型的气体敏感元件如表3—1所示。

　　四、 湿度传感器

　　湿度,通常是指空气中水蒸汽的含量。人们的日常生活和工农业
生产,以及动植物的生长和生存,都与周围环境湿度有着密切的关系
,在自然界中,对于人类的生存,环境的湿度有着同等的重要意义。
　　在人的生活环境中,如果空气太潮湿, 将使人们感到沉闷和窒
息;如果空气太干燥,又会使人的口腔感到不适,甚至可能发生咽喉
炎等疾病。为了给人们创造舒适的生活环境,相对湿度应控制在(
50~70)%RH的范围内,所以房间的空调,要控制温度,也要控制湿度
;在国防方面,枪只蛋药、军用仪器、武器装备等都不能受潮,对军
用仓库必须对温度控进行自动检测与控制。近来,美国人认为集成电
路的失效与湿度关系很大,为确保军用电子器件的高可靠性,把微湿
传感器与成电路封装在一起,临测其早期失效;在工业生产中,湿度
的测控直接关系到产品的质量,精密仪器、半导体集成电路与元器件
制造场所,湿度的测控就显得更为重要;此外,湿度测控在气象预报
、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用,表4—1列举了需测湿
度的场合与测量范围。

　　五、 光传感器

　　光传感器,亦称光敏传感器,或称光电式传感器及光电探测器。
它是一种能量转换器件,是利用各种手段将光能量变换成相的电号的
器件,即把入电磁辐射能量(或称光能)转成电能,通过对电能的精
密测量,了解到该入射辐射能量的大和性质,从中达到探测辐射(或
光)能量的存在的所携带的信息。
　　在自 然界中,有许多物质,当辐射照射后,它会使本身的电学
性质发生变化。实践表明,这种变化的数量和入射辐射的强度,具有
严格的对应关系。现在对电学和电子学的测量并不是一件困难的事,
准确地测量电流、电压、频率等都很容易。因此,通过对电学量的简
单测量,可把辐射量的存在,以及它所携带的僦息探测出来。具有这
种性质的材料称为光敏材料。用光敏材料制作成的探测器件并通过它
可间接检测到光辐射所载的原始信息,就称为光传感器件,如图5—
1所示。
　　光敏传感器是将光信号变成电信号的一种器件。主要是利用各种
光电效应制成的无源光敏器件,如外光电效应的光电二极管和光电倍
增管,利用内光电效应的光导管,以及应用光生电势效应的光敏二极
管、光敏三极管、光电池等。新发展的光敏传感器主要有光纤传感器
及CCD图像传感器。其中光纤传感器是有源光敏传感器。
　　无论是有源光敏传感器还是无源传感器,它们的特点是:右靠性
高、搞干扰能力强。不受电磁辐射影响以及本身也不辐射电磁波和没
有火花产生。光敏传感器除了可以直接检测光信号外,它也可间接测
量温度、压力、速高深莫测、加速度、位移等。近年来发展起来年彩
电CCD图像传感器,可传真各种彩色图像,代替人的眼睛功能,称之
“人工眼”。因此,光敏传感器虽是各类传感器中发展最迟的一类,
但其发殿速度之快,以及其应用之广,都超过其它,并且还有很大潜
力。

　　光传感器分为以不三大类:
　　它是应用光敏材料的炮电效制作成的无源光敏器件。根据光电效
应的机理,又可分为外光电效消耗及内光电效应二种器件。外光电效
应器件有光电二极管(真空)、兴电倍增管等。内光电效器件有光导
管、光敏电阻等。

　　它是指器件对光谱中长波长(如红外光)敏感的器件。红外光敏
器件材料主要辐射的热敏感,即使材料的固体晶格扰动产生固体本身
的电学性质(电阻等)变化或者产生热电动势,诸如热释电探测器。

　　这是一种有源的光敏传感器,它利用发光管(LED)或激光管(
LD)发射的光,经光导纤传输到被检测对象,经调制后,光沿着光导
纤维反射到光接收器,光接收器则将调制过的光束解调后变成电信号
。

　　六、 磁传感器

　　磁传感器是一种具有将磁学量信号转换为电信号功能的器件或装
置。利用磁学量与其它物理量的变换关系,以磁场作为媒介,也可将
其它非电物理量转变为电信号磁传感器的种类很多,一般可分为物性
型和结构型两种类型。由于篇幅限制,在本章中只研究物性型磁传感
器,如霍尔器件、霍尔集成电路、磁敏二极管和三极管、半导体磁敏
电阻与传感器、强性金属磁敏器件与传感器等。而不研究其它的结构
型磁传感器,如电式传感器的磁电式传感器等。
　　霍尔器件和霍尔集成电路是目前国内外应用较为广泛的一种磁传
感器。前者是分立型结构,后者是将它与放大器等制作在一片半导体
材料上的成电路型结构。两者相比,霍尔集成电路则更有微型化、可
靠性高、寿命长、功耗低,以及负载能力强等优。


　　七、 电压敏传感器
　　电压敏传感器是指电阻什随电压而变化的电压敏感元件,简称压
敏元件。由于压敏元件不属于非电量与电量的就业换类型,且迄今其
主要应用领域不是信息的检测和摄取,故目前国外文献和研究工作者
一般未将其列入传感器和范畴,只是在早期的有些国外文献和我国学
术界,从广义的传感器定义出发,将压敏元件列为传感器的一个品种
。我国从70年代初开始研制压敏元件,现已有相当的生产规模,技术
比较成熟,基本上能满足国内各个领域对电压敏感元件的需求。本章
就要介绍电压敏感元件的基本性级、产品类型和应用方式。

　　电压敏感元件是在温度不变的条件下,当外加电压增大到某一数
值以后,其电阻值急剧下降的一种电阻器。由于它的电阻值随电压变
化很敏感,所以我国称之为压敏电阻器,国外则称它为可变电阻器(
VARISTOR)。这种电压敏感元件的电流—电压之间有典型的非线性关
系,如图7—1所示,所心在很多场合又称它为非线性电阻器。从图
7—1可见,不同类型的压敏元件,其伏-安特性曲线的形状有很大的
差别。这种差别表明它们偏离线性关系程度不同,我们可用非线性指
数来表征。