一

、傳感器的定義

　　xinxichulijishuqudedejinzhanyijiweichuliqihejisuanjijishudegaosufazhan，douxuyaozaichuanganqidekaifafangmianyouxiangyingdejinzhan。weichuliqixianzaiyijingzaicelianghekongzhixitongzhongdedaoleguangfandeyingyong。suizhezhexiexitongnenglidezengqiang
，zuoweixinxicaijixitongdeqianduandanyuan，chuanganqidezuoyongyuelaiyuezhongyao。chuanganqiyichengweizidonghuaxitonghejiqirenjishuzhongdeguanjianbujian，zuoweixitongzhongdeyigejiegouzucheng，qizhongyaoxingbiandeyuelaiyuemingxian。

　　最廣義地來說
，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便於利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測量係統中的一種前置部件，它將輸入變量轉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“傳感器係統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器係統的一個組成部分

，它是被測量信號輸入的第一道關口。

　　傳感器係統的原則框圖示於圖1-1
，進(jin)入(ru)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)是(shi)很(hen)小(xiao)的(de)

，而(er)且(qie)混(hun)雜(za)有(you)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)和(he)噪(zao)聲(sheng)。為(wei)了(le)方(fang)便(bian)隨(sui)後(hou)的(de)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)，首(shou)先(xian)要(yao)將(jiang)信(xin)號(hao)整(zheng)形(xing)成(cheng)具(ju)有(you)最(zui)佳(jia)特(te)性(xing)的(de)波(bo)形(xing)，有(you)時(shi)還(hai)需(xu)要(yao)將(jiang)信(xin)號(hao)線(xian)性(xing)化(hua)，該(gai)工(gong)作(zuo)是(shi)由(you)放(fang)大(da)器(qi)、lvboqiyijiqitayixiemonidianluwanchengde。zaimouxieqingkuangxia，zhexiedianludeyibufenshihechuanganqibujianzhijiexianglinde。chengxinghoudexinhaosuihouzhuanhuanchengshuzixinhao，bingshurudaoweichuliqi。

　　德de國guo和he俄e羅luo斯si學xue者zhe認ren為wei傳chuan感gan器qi應ying是shi由you二er部bu分fen組zu成cheng的de，即ji直zhi接jie感gan知zhi被bei測ce量liang信xin號hao的de敏min感gan元yuan件jian部bu分fen和he初chu始shi處chu理li信xin號hao的de電dian路lu部bu分fen。按an這zhe種zhong理li解jie，傳chuan感gan器qi還hai包bao含han了le信xin號hao成cheng形xing器qi的de電dian路lu部bu分fen。

　　傳感器係統的性能主要取決於傳感器
，傳感器把某種形式的能量轉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變成另一種
，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1-2(a))。

有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程

　　無源傳感器不能直接轉換能量形式

，但它能控製從另一輸入端輸入的能量或激勵能
傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體
、液體或氣體，而它們的狀態可以是靜態的，也可以是動態(即過程)的(de)。對(dui)象(xiang)特(te)性(xing)被(bei)轉(zhuan)換(huan)量(liang)化(hua)後(hou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)多(duo)種(zhong)方(fang)式(shi)檢(jian)測(ce)。對(dui)象(xiang)的(de)特(te)性(xing)可(ke)以(yi)是(shi)物(wu)理(li)性(xing)質(zhi)的(de)，也(ye)可(ke)以(yi)是(shi)化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)的(de)。按(an)照(zhao)其(qi)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)對(dui)象(xiang)特(te)性(xing)或(huo)狀(zhuang)態(tai)參(can)數(shu)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)可(ke)測(ce)定(ding)的(de)電(dian)學(xue)量(liang)
，然(ran)後(hou)將(jiang)此(ci)電(dian)信(xin)號(hao)分(fen)離(li)出(chu)來(lai)，送(song)入(ru)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)加(jia)以(yi)評(ping)測(ce)或(huo)標(biao)示(shi)。

　　各ge種zhong物wu理li效xiao應ying和he工gong作zuo機ji理li被bei用yong於yu製zhi作zuo不bu同tong功gong能neng的de傳chuan感gan器qi。傳chuan感gan器qi可ke以yi直zhi接jie接jie觸chu被bei測ce量liang對dui象xiang
，也ye可ke以yi不bu接jie觸chu。用yong於yu傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo機ji製zhi和he效xiao應ying類lei型xing不bu斷duan增zeng加jia，其qi包bao含han的de處chu理li過guo程cheng日ri益yi完wan善shan。

　　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 化學傳感器——味覺
　　壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

　　與yu當dang代dai的de傳chuan感gan器qi相xiang比bi
，人ren類lei的de感gan覺jiao能neng力li好hao得de多duo
，但dan也ye有you一yi些xie傳chuan感gan器qi比bi人ren的de感gan覺jiao功gong能neng優you越yue，例li如ru人ren類lei沒mei有you能neng力li感gan知zhi紫zi外wai或huo紅hong外wai線xian輻fu射she，感gan覺jiao不bu到dao電dian磁ci場chang
、無色無味的氣體等。

　　duichuanganqishedinglexuduojishuyaoqiu，youyixieshiduisuoyouleixingchuanganqidoushiyongde，yeyouzhiduitedingleixingchuanganqishiyongdeteshuyaoqiu。zhenduichuanganqidegongzuoyuanlihejiegouzaibutongchanghejunxuyaodejibenyaoqiushi：

　　高靈敏度　　抗幹擾的穩定性(對噪聲不敏感) 　　線性　　容易調節(校準簡易)

　　高精度　　高可靠性 　　無遲滯性　　工作壽命長(耐用性)

　　可重複性　　抗老化 　　高響應速率　　抗環境影響(熱、振動、酸、堿

、空氣、水
、塵埃)的能力

　　選擇性　　安全性(傳感器應是無汙染的) 　　互換性　　低成本

　　寬測量範圍　　小尺寸、重量輕和高強度 　　寬工作溫度範圍
　　
　　
　　二、傳感器的分類

　　可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)
；它們的用途
；它們的輸出信號類型以及製作它們的材料和工藝等。

　　根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類
傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化
、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。

　　化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關係的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。

　　有(you)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)既(ji)不(bu)能(neng)劃(hua)分(fen)到(dao)物(wu)理(li)類(lei)，也(ye)不(bu)能(neng)劃(hua)分(fen)為(wei)化(hua)學(xue)類(lei)。大(da)多(duo)數(shu)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)以(yi)物(wu)理(li)原(yuan)理(li)為(wei)基(ji)礎(chu)運(yun)作(zuo)的(de)。化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)問(wen)題(ti)較(jiao)多(duo)，例(li)如(ru)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)，規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)
，價(jia)格(ge)問(wen)題(ti)等(deng)，解(jie)決(jue)了(le)這(zhe)類(lei)難(nan)題(ti)
，化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)將(jiang)會(hui)有(you)巨(ju)大(da)增(zeng)長(chang)。

　　常見傳感器的應用領域和工作原理列於表1.1。

　　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
　　
　　液麵傳感器 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。
　　
　　以其輸出信號為標準可將傳感器分為：
　　
　　模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。
　　
　　數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。
　　
　　膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。
　　
　　開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。

　　在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應的、具ju有you特te征zheng性xing的de反fan應ying。它ta們men中zhong的de那na些xie對dui外wai界jie作zuo用yong最zui敏min感gan的de材cai料liao，即ji那na些xie具ju有you功gong能neng特te性xing的de材cai料liao，被bei用yong來lai製zhi作zuo傳chuan感gan器qi的de敏min感gan元yuan件jian。從cong所suo應ying用yong的de材cai料liao觀guan點dian出chu發fa可ke將jiang傳chuan感gan器qi分fen成cheng下xia列lie幾ji類lei：
　　
　　(1)按照其所用材料的類別分
　　
　　金屬 聚合物 陶瓷 混合物
　　
　　(2)按材料的物理性質分 導體 絕緣體 半導體 磁性材料
　　
　　(3)按材料的晶體結構分
　　
　　單晶 多晶 非晶材料
　　
　　與采用新材料緊密相關的傳感器開發工作，可以歸納為下述三個方向：
　　
　　(1)在已知的材料中探索新的現象

、效應和反應，然後使它們能在傳感器技術中得到實際使用。
　　
　　(2)探索新的材料
，應用那些已知的現象
、效應和反應來改進傳感器技術。
　　
　　(3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應，並在傳感器技術中加以具體實施。

　　現(xian)代(dai)傳(chuan)感(gan)器(qi)製(zhi)造(zao)業(ye)的(de)進(jin)展(zhan)取(qu)決(jue)於(yu)用(yong)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)新(xin)材(cai)料(liao)和(he)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)開(kai)發(fa)強(qiang)度(du)。傳(chuan)感(gan)器(qi)開(kai)發(fa)的(de)基(ji)本(ben)趨(qu)勢(shi)是(shi)和(he)半(ban)導(dao)體(ti)以(yi)及(ji)介(jie)質(zhi)材(cai)料(liao)的(de)應(ying)用(yong)密(mi)切(qie)關(guan)聯(lian)的(de)。表(biao)1.2中給出了一些可用於傳感器技術的、能夠轉換能量形式的材料。
　　
　　按照其製造工藝
，可以將傳感器區分為：
　　
　　集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器

　　集成傳感器是用標準的生產矽基半導體集成電路的工藝技術製造的。通常還將用於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襯底(基板)上的
，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路製造在此基板上。
　　厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，塗覆在陶瓷基片上製成的，基片通常是Al2O3製成的，然後進行熱處理，使厚膜成形。
　　陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。
　　完(wan)成(cheng)適(shi)當(dang)的(de)預(yu)備(bei)性(xing)操(cao)作(zuo)之(zhi)後(hou)
，已(yi)成(cheng)形(xing)的(de)元(yuan)件(jian)在(zai)高(gao)溫(wen)中(zhong)進(jin)行(xing)燒(shao)結(jie)。厚(hou)膜(mo)和(he)陶(tao)瓷(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)這(zhe)二(er)種(zhong)工(gong)藝(yi)之(zhi)間(jian)有(you)許(xu)多(duo)共(gong)同(tong)特(te)性(xing)，在(zai)某(mou)些(xie)方(fang)麵(mian)，可(ke)以(yi)認(ren)為(wei)厚(hou)膜(mo)工(gong)藝(yi)是(shi)陶(tao)瓷(ci)工(gong)藝(yi)的(de)一(yi)種(zhong)變(bian)型(xing)。
每種工藝技術都有自已的優點和不足。由於研究、開發和生產所需的資本投入較低，以及傳感器參數的高穩定性等原因
，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。