劉增華基礎(chǔ)樓605liuzenghua@2015年11月12日現(xiàn)代傳感與檢測技術(shù)北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生選修課一、緒論（一）現(xiàn)代傳感技術(shù)目錄一、概述二、傳感技術(shù)的發(fā)展方向三、新型傳感效應(yīng)四、新型傳感材料五、先進加工技術(shù)六、研究熱點一、概述傳感技術(shù)是關(guān)于傳感器原理、結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)計、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)。傳感器處于檢測過程的第一個環(huán)節(jié)，它直接感受被測參數(shù)，并將被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成一種易于傳遞的物理量，是獲得信息的重要手段，與通信技術(shù)、計算機技術(shù)并成為現(xiàn)代信息技術(shù)中的三大核心技術(shù)?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)發(fā)展的必要性

及其動態(tài)

傳感技術(shù)是人類探知自然界信息的觸覺，是人類認識和控制對象的條件和依據(jù)，是21世紀世界各國在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個重要領(lǐng)域。傳感器是自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)器件，其技術(shù)水平直接影響到自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的水平，傳感器的好壞對系統(tǒng)質(zhì)量起著決定性作用。目前，我國在工業(yè)上應(yīng)用的大多數(shù)傳感器技術(shù)存在很多不足。為使產(chǎn)品在市場中更具競爭力，在開發(fā)及采用新型儀表和控制技術(shù)同時，也應(yīng)對傳感器技術(shù)的開發(fā)予以高度重視。全美電站有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，改進、優(yōu)化過程傳感器與儀表能改善電站熱效率達1%，每年節(jié)約約3億美元。另外，采用先進傳感器與儀表若使設(shè)備利用率提高1%的話，每年可節(jié)約約30億美元。

人類已進入信息時代，獲取信息是利用信息的先決條件。通過傳感器獲得的信息正確與否直接關(guān)系到整個測量或控制系統(tǒng)的成敗與精度，因此，在檢測系統(tǒng)中占有十分重要的位置。新效應(yīng)、新材料、新工藝的出現(xiàn)，促進新型傳感器的問世。二、現(xiàn)代傳感器的定義現(xiàn)代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”。國家標(biāo)準GB7665-87的定義為：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號的器件或裝置”。定義包含以下幾方面的含義：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)，在檢測系統(tǒng)中，傳感器是必備裝置。它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量；輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。傳感器的構(gòu)成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進行必要的轉(zhuǎn)換輸出。轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路是一些能把敏感器件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和處理等有用的電信號的裝置。隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已能把一些處理電路和傳感器集成在一起，購車功能集成傳感器。進一步的發(fā)展是將傳感器和微處理器相結(jié)合，裝在一個檢測器中形成了一種新型“智能傳感器”。它將具有一定的信號調(diào)理、信號分析、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚至具有一定的辨認、識別、判斷的功能。二、傳感技術(shù)的發(fā)展方向當(dāng)今傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向：開展基礎(chǔ)研究，重點研究傳感器的新原理、新材料和新工藝；實現(xiàn)傳感器的微型化、陣列化、集成化和智能化。從當(dāng)前高新技術(shù)發(fā)展趨勢來看，傳感技術(shù)發(fā)展方向具體表現(xiàn)在以下幾個主要方面。(1)發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象與新效應(yīng)

利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)是各種傳感器工作的基本原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要工作，是研究開發(fā)新型傳感器的基礎(chǔ)。例如，利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁傳感器，其靈敏度比霍爾器件高。制造工藝相對簡單，可用于磁成像技術(shù)。(1)發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象與新效應(yīng)（續(xù)）

據(jù)報道，美國國立實驗室的研究人員正在研制變色傳感器，當(dāng)存在目標(biāo)物質(zhì)時傳感器由藍色變成紅色。參照細胞膜的模型，可針對一種特定的生物目標(biāo)設(shè)計傳感器。一旦識別出目標(biāo)物質(zhì)，膜將由藍色變成紅色，提示有目標(biāo)物質(zhì)存在。錢永健

(RogerYonchienTsien)

1952年出生，美國生物化學(xué)家。2008年諾貝爾化學(xué)獎得主，美國國家科學(xué)院院士，美國國家醫(yī)學(xué)院院士，美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。從事的研究工作：生物發(fā)光現(xiàn)象研究(2)利用新材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進步，人們可制造出各種新型傳感器。以下三個方向：A在已知的材料中探索新現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使他們能在傳感器技術(shù)中得到實際應(yīng)用；B探索新材料，應(yīng)用那些已知現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進傳感器技術(shù)；C在研究新型材料的基礎(chǔ)上，探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和新反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以實施。近年來，對傳感器材料的開發(fā)研究有了較大進展，主要發(fā)展趨勢如下：A單晶體到多晶體、非晶體；B單一型材料到復(fù)合材料；C原子（分子）型材料的人工合成?，F(xiàn)代傳感器制造業(yè)的發(fā)展取決于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)。傳感器開發(fā)的基本趨勢和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)。目前人們已在采用硅或金屬和非金屬合成的化合物半導(dǎo)體等敏感材料、陶瓷材料、非晶化或薄膜化磁性材料和智能材料(包括生物體材料、形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物等)等來研制傳感器。例如：等離子聚合法聚苯乙烯薄膜濕度傳感器測濕范圍寬、使用溫度范圍可達-400~1500℃、響應(yīng)速度快(小于1s)，且其尺寸小，可用于小空間測濕。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所報道了一種新型柔性可穿戴仿生觸覺傳感器—人造仿生電子皮膚。以絲綢為模板方式，實現(xiàn)了具有微納米結(jié)構(gòu)薄膜的可控制備，并與自支撐單壁碳納米管超薄膜結(jié)合，構(gòu)筑了具有高靈敏度的柔性仿生電子皮膚，并將其應(yīng)用于對脈搏、語音等人體生理信號的實時快速檢測，通過對人體說話時喉部肌肉群運動產(chǎn)生的微弱壓力變化及脈搏波形變化分析,推進了可穿戴設(shè)備在語音輔助輸出系統(tǒng)、人體健康評價和疾病前期診斷方面的應(yīng)用。(AdvancedMaterials,2014)(3)微型化、量子化拓廣

采用微細加工技術(shù)(包括離子束、電子束、分子束、激光束、化學(xué)刻蝕等微電子加工技術(shù))制造各種新型傳感器，如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出硅微傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制成壓力傳感器等。此外，傳感器的檢測極限正在迅速延伸，如利用約瑟夫遜效應(yīng)研制的熱噪聲溫度計，可測出0.00001K的低溫。(4)向集成化、多功能化、多維化與數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)化方向發(fā)展隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)將原先分開的敏感元件與信號處理以及電源部分制作在同一基片上，從而使檢測及信號處理一體化、集成化，便于提高生產(chǎn)率。如利用光電轉(zhuǎn)換原理組成網(wǎng)狀陣列，將電信號轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像的顯示器件。并已經(jīng)出現(xiàn)了多功能傳感器，可以同時測量多種參數(shù)或具有多種功能。(續(xù))

如美國單片硅多維力傳感器(3個線速度、3個離心加速度、3個角加速度)；溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指建立在多個測試參數(shù)、多個數(shù)據(jù)信息進行綜合處理的基礎(chǔ)上而實現(xiàn)的數(shù)據(jù)融合。多維傳感、智能傳感、光信息傳感等，構(gòu)成復(fù)雜的傳感系統(tǒng)。如航空測量中的側(cè)視孔徑合成雷達，就是通過多個傳感器在計算機中形成虛擬光學(xué)成象系統(tǒng)的一種新型傳感系統(tǒng)。(5)向智能化發(fā)展

隨著微處理器芯片的發(fā)展，已廣泛內(nèi)置在各種傳感器中，再利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能和先進信息處理技術(shù)（如信息融合技術(shù)、模糊理論等），使傳感器具有更高級的智能。傳感器與微處理機相結(jié)合，使之不僅具有檢測功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能，稱之為傳感器的智能化。5.1智能傳感器的定義

關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂尚未完全統(tǒng)一。英國人將智能傳感器稱為“IntelligentSensor”；美國人則習(xí)慣于把智能傳感器稱作“SmartSensor”，直譯就是“靈巧的、聰明的傳感器”。所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器的最大特點就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機地融合在一起。具有類似人工智能的作用?！皫⑻幚砥鳌卑瑑煞N情況：[1]將傳感器與微處理器集成在一個芯片上構(gòu)成所謂的單片智能傳感器[2]傳感器能夠配微處理器后者的定義范圍更寬，但二者均屬于智能傳感器的范疇。世界上第一個智能傳感器是美國霍尼韋爾（Honeywell）公司在1983年開發(fā)的ST3000系列智能壓力傳感器。它具有的多參數(shù)傳感(差壓、靜壓和溫度)與智能化的信號調(diào)理功能。目前，ST3000系列智能壓力傳感器在全球銷量已突破50萬只，深受廣大用戶的青睞。5.2智能傳感器的功能(1)具有自校準和自診斷功能。智能傳感器不僅能自動檢測各種被測參數(shù)，還能進行自動調(diào)零、自動調(diào)平衡、自動校準，某些智能傳感器還能自標(biāo)定功能。(2)具有數(shù)據(jù)存儲、邏輯判斷和信息處理等功能，能對被測量進行信號調(diào)理或信號處理（包括對信號進行預(yù)處理、線性化，或?qū)?shù)進行自動補償?shù)龋?3)具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測量功能。(4)具有雙向通信功能，能直接與微處理器(μP)或單片機(μC)通信。5.3智能傳感器與傳感系統(tǒng)的特點5.3.1高精度智能傳感器采用自調(diào)零、自補償、自校準等多項新技術(shù)，能達到高精度指標(biāo)。美國霍尼韋爾公司：PPT、PPTR系列智能精密壓力傳感器，測量精度為±0.05％，比傳統(tǒng)壓力傳感器的精度大約提高了一個數(shù)量級。(a)PPT系列(b)PPTR系列智能精密壓力傳感器5.3.2寬量程智能傳感器測量范圍很寬，具有很強的過載能力。例如，美國ADI公司：ADXRS300型單片偏航角速度陀螺儀集成電路測量轉(zhuǎn)動物體的偏航角速度的范圍是±300°/s。只需并聯(lián)一只設(shè)定電阻，即可將測量范圍擴展到1200°/s。5.3.3多參數(shù)、多功能(1)多路智能溫度控制器Pentium4處理器是Intel公司推出的高性能微處理器。最高主頻目前已達3.6GHz，它采用了0.13μm制程，集成度高達5500萬～7700萬只晶體管，運行速度的大幅度提高，其功耗也顯著增加，必須采取更完善的散熱保護措施。芯片中還有內(nèi)置數(shù)字溫度傳感器。(2)多功能式濕度／溫度／露點智能傳感器系統(tǒng)瑞士Sensirion公司：SHT11/15型高精度、自校準、多功能式智能傳感器。能同時測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)；兼有數(shù)字濕度計、溫度計和露點計這3種儀表的功能；可廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療儀器、通風(fēng)及空調(diào)設(shè)備等領(lǐng)域。外形尺寸僅為7.62mm(長)×5.08mm(寬)×2.5mm(高)，質(zhì)量只有0.1g，其體積與一個大火柴頭相近。

SHT11/15型智能傳感器的外形(3)多功能式混濁度/電導(dǎo)/溫度智能傳感器系統(tǒng)美國霍尼韋爾公司：APMS－10G型帶微處理器和單線接口的智能化混濁度傳感器系統(tǒng)能同時測量液體的混濁度、電導(dǎo)和溫度，構(gòu)成多參數(shù)在線檢測系統(tǒng)，可廣泛用于水質(zhì)凈化，清洗設(shè)備及化工、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等部門。外形插座引腳傳感器智能化是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，它把傳感器變換、調(diào)理、采集、處理、存儲、輸出等多種功能集成一體，具有自校準、自補償、自診斷、自動量程、人機對話、數(shù)據(jù)自動采集存儲與處理等能力，又具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等功能，大大提高了傳感器的測量精確度和方便性，從而可完成圖像識別、特征檢測、多維檢測等復(fù)雜任務(wù)。智能化傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點：A具有判斷和信息處理功能，能對測量值進行修正、誤差補償，提高測量精度；B可實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測量；C

有自診斷和自校準功能，提高可靠性；D測量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；E

有數(shù)據(jù)通訊接口，能與微型計算機直接通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或遠程通信；F

具有自能算法及自學(xué)功能。對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進行分割處理，實現(xiàn)遠距離、高速度、高精度傳輸?shù)?。傳感?嵌入式計算機智能傳感器智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。振動網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式計算機智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傾角傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器聲發(fā)射智能探頭智能傳感器舉例人體傳感器：無線傳輸健康數(shù)據(jù)《中國科學(xué)報》(2013-08-09）（臺北國立臺灣大學(xué)）傳感器內(nèi)的軟件可以識別每一個頜運動樣式的指示，然后統(tǒng)計病人咀嚼、飲水、說話、咳嗽或者吸煙的時間，并保存相關(guān)數(shù)據(jù)。牙齒傳感器的加速計會把口腔活動數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機上，據(jù)此醫(yī)生能夠了解患者情況。(6)改善傳感器性能

I差動技術(shù)是現(xiàn)代傳感器普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消共模干擾，減小非線性誤差。采用差動技術(shù)，還可提高傳感器靈敏度。II平均技術(shù)

采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差δ均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為N為傳感單元數(shù)。利用該技術(shù)可使傳感器誤差減小，增大信號量，即增大傳感器靈敏度。光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等傳感器，由于其本身的工作原理決定有多個傳感單元參與工作，可取的明顯的誤差平均效果。這是這一類傳感器的固有優(yōu)點。另外，還可對某些工藝性缺陷造成的誤差起到彌補作用。因此在結(jié)構(gòu)允許的情況下，適當(dāng)增多傳感單元數(shù)，可收到很好的效果。如圓光柵傳感器，若讓全部柵線同時參與工作，設(shè)計成全接收形式，誤差平均效應(yīng)就可發(fā)揮出來。III補償與修正技術(shù)主要針對兩種情況：(1)針對傳感器本身特性，找出誤差變化規(guī)律，或測出其大小和方向，采用適當(dāng)方法加以補償或修正。如傳感器的溫度誤差補償。(2)針對傳感器工作條件或外界環(huán)境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力措施。如激光式傳感器中，常把激光波長作為標(biāo)準尺度，而波長受溫度、氣壓、溫度的影響，在精度要求較高的情況下，需根據(jù)這些外界環(huán)境情況進行誤差修正。本身特性修正、工作條件或外界環(huán)境修正，可通過硬件或軟件實現(xiàn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多弱電平、非線性嚴重的傳感器在高性能放大器和微電腦幫助下大大提高了檢測精度。IV屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時極其惡劣。為減小測量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。對于電磁干擾，可采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。V穩(wěn)定性處理

傳感器作為長期測量或反復(fù)使用的器件，其穩(wěn)定性非常重要，其重要性甚至超過精度指標(biāo)，尤其是對那些很難活無法定期鑒定的場合。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。為提高傳感器性能的穩(wěn)定性，應(yīng)對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如結(jié)構(gòu)材料的時效處理、冰冷處理、永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化以及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。在使用傳感器時，若測量要求較高時，必要時也應(yīng)對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進行老化處理。三、新型傳感效應(yīng)傳感器的工作原理是建立在各種物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)基礎(chǔ)之上的。1物理效應(yīng)物理效應(yīng)指利用某些物理規(guī)律，使敏感元件或功能材料的物理性質(zhì)在被測量的作用下引起變化的特性，利用物理效應(yīng)制成的傳感器稱為物理型傳感器。1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

1.1光電效應(yīng)當(dāng)光照射到光電材料上，材料發(fā)射電子或者其電導(dǎo)率發(fā)生變化，或者發(fā)生感生電動勢，這種因光照使材料電學(xué)特性發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。根據(jù)光電效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換器件，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，具有非接觸、高靈敏度、高精度、抗干擾性強的特點。廣泛用于測距、測溫、測速、通信和遙感等。光可以認為是由一定能量的粒子（光子）所組成，每個光子具有的能量正比于光的頻率，光的頻率越高，光子的能量就越大。光電效應(yīng)實質(zhì)是入射光粒子與物質(zhì)中束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用，使電子能態(tài)發(fā)生改變，并且這種變化與光子能量大小有關(guān)，所以光電效應(yīng)是一種波長選擇性物理效應(yīng)。按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。(a)外光電效應(yīng)在光照射下，某些材料中的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。逸出來的電子稱為光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。愛因斯坦光電效應(yīng)方程：

1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。2.υ一定時，產(chǎn)生的光電流和光強成正比。3.逸出的光電子具有動能。光電管光電管是將光強的變化轉(zhuǎn)化為光電流的裝置。包括真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空光陽極光電陰極光窗玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。(b)內(nèi)光電效應(yīng)光照射到某一物體上，使其導(dǎo)電能力發(fā)生變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象幾乎可以在所有的半導(dǎo)體中觀察到，由于該過程在半導(dǎo)體材料內(nèi)進行，所以稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。光電導(dǎo)效應(yīng)電極半導(dǎo)體玻璃極板如果在材質(zhì)均勻的光電材料兩端加上一定電壓，當(dāng)光照射到材料上時，材料吸收光子的能量，通過本征激發(fā)產(chǎn)生能參與導(dǎo)電的電子空穴對，這些載流則在元件兩端外加電壓的作用下形成電流，電流大小受光照強度的控制。光生伏特效應(yīng)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等。具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鉀等。與光電導(dǎo)效應(yīng)相反，光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子過程。少數(shù)載流子的壽命通常短于多數(shù)載流子的壽命，當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合時，光生伏特信號就終止了。由于這個原因，基于光生伏特效應(yīng)的光探測器通常比用相同材料制成的光電導(dǎo)探測器相應(yīng)更快。1.2壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是一種可逆的物理效應(yīng)，包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，基本轉(zhuǎn)換關(guān)系是力與電學(xué)量之間的轉(zhuǎn)換。基于壓電效應(yīng)所形成的傳感器可以感測多種物理量和化學(xué)量，隨著壓電材料的開發(fā)和研究，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，產(chǎn)生許多新型壓電傳感器，如聲表面波(SurfaceAcousticWave,SAW)傳感器等。正壓電效應(yīng)：某種電介質(zhì)材料，在一定方向受外力作用而變形時，在表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后又重新回到不帶電的狀態(tài)，這時機械能轉(zhuǎn)換為電能。逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)極化方向施加電場，它會產(chǎn)生機械變形，去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這時電能被轉(zhuǎn)換為機械能。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料。(1)聲表面波傳感器聲表面波是英國物理學(xué)家Rayleigh于19世紀末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ髞戆l(fā)現(xiàn)在任何固體表面都存在這種現(xiàn)象。1965年美國的White和Voltmov發(fā)明了能在壓電晶體材料表面上激勵聲表面波的金屬叉指換能器，SAW技術(shù)得到了迅速發(fā)展。近20年來，基于SAW器件頻率特性與溫度、壓力、加速度、流量和某些氣體成分之間具有確定的關(guān)系，開發(fā)了多種新型傳感器，用于檢測各種物理、化學(xué)參數(shù)。聲表面波是沿彈性體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，是一種機械波，通過叉指換能器激勵產(chǎn)生，利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)。由于壓電效應(yīng)具有可逆性，叉指換能器既可作為發(fā)射換能器，用來激勵SAW，又可作為接收換能器，用來接收SAW，因而這類換能器是可逆的。這種周期性的應(yīng)變就產(chǎn)生沿叉指換能器兩側(cè)表面?zhèn)鞑コ鋈サ腟AW，其頻率等于所施加電信號的頻率。SAW傳感器的關(guān)鍵是SAW諧振器。它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成。SAW諧振器可用來測量各種物理量和化學(xué)量，典型的有SAW溫度、應(yīng)變、壓力、加速度、氣體、流量、濕度傳感器。延遲線型諧振器振子型諧振器IDTIDTIDT反射柵反射柵1.3熱釋電效應(yīng)（Pyroelectriceffect）在某些晶體中，由于溫度變化而引起電極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)中的一種。近年來，利用熱釋電效應(yīng)為原理研制的紅外光敏器件在軍事偵察、資源探測、保安防盜、火災(zāi)報警、溫度檢測等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。1.4多普勒效應(yīng)當(dāng)波源與觀測者之間存在相對運動時，觀測者所接收到的波的頻率不等于波源振動的頻率，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)?？捎糜谖矬w運動速度的測量。如雷達測量飛機的速度，微波監(jiān)測往來汽車的行駛速度，利用激光測量流速，通過觀測衛(wèi)星發(fā)射電磁波頻率變化判斷衛(wèi)星運行情況。多普勒效應(yīng)根據(jù)信號源不同分為聲多普勒效應(yīng)和光多普勒效應(yīng)兩種。以光波為例，設(shè)光波源的頻率為f0，當(dāng)接收器相對光源以速度v運動，在光速為c（c>>v）的情況下，接收器接收到的光波信號頻率為f，則θ為光傳播方向與接收器相對運動方向之間夾角。利用多普勒效應(yīng)原理研制的激光流速儀是流速測量技術(shù)的一個重大進展，實現(xiàn)了非接觸測量，對流場無干擾，測速范圍大，空間分辨率高，動態(tài)響應(yīng)快，目前已成為邊界層、非定常流、湍流研究的有力工具。2化學(xué)效應(yīng)化學(xué)效應(yīng)是利用化學(xué)反應(yīng)原理，把無機或有機化學(xué)的物質(zhì)成分、濃度等特性轉(zhuǎn)換為電信號的特性。利用化學(xué)效應(yīng)制成的化學(xué)傳感器被廣泛地用于化學(xué)分析等化學(xué)工業(yè)的在線檢測及環(huán)保檢測中。2.1吸附效應(yīng)材料表面吸附氣體分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使材料表面電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。利用該原理制成的傳感器可進行氣體的檢測，主要有氧化物半導(dǎo)體SnO2、ZnO和Fe2O3三大類，用于可燃性氣體檢測。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，研究開發(fā)了一批新型材料，如單一金屬氧化物、復(fù)合金屬氧化物以及混合金屬氧化物用作氣敏材料，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。吸附效應(yīng)建立在半導(dǎo)體表面理論基礎(chǔ)上。在半導(dǎo)體表面原子性質(zhì)特別活躍，很容易吸附氣體分子。當(dāng)氣體分子的親和能（電勢能）大于半導(dǎo)體表面的電子逸出功時，吸附分子將從半導(dǎo)體表面奪取電子而變成負離子吸附，如氧氣、氧化氮等。N型半導(dǎo)體表面形成負離子吸附，則表面多數(shù)載流子（導(dǎo)帶電子）濃度減小，電阻增加。P型則反之。若氣體分子的電離能小于半導(dǎo)體表面的電子逸出功時，氣體供給半導(dǎo)體表面電子，形成正離子吸附，如H2、CO、C2H5OH以及各種碳氫化合物。當(dāng)N型半導(dǎo)體表面形成正離子吸附時，則多數(shù)載流子（導(dǎo)帶電子）濃度增加，電阻減小，P型則反之。由此，利用半導(dǎo)體表面電阻變化就可以檢測出氣體的種類和濃度。利用吸附效應(yīng)還可用于濕度測量。濕度傳感器依據(jù)水分子的吸附作用，材料表面吸附水分后引起表面電阻率變化，實現(xiàn)濕度測量。傳感器由敏感體以及依附的基底、加熱器和信號引出電極等三部分構(gòu)成。2.2光化學(xué)效應(yīng)利用媒介層與被測物質(zhì)作用前后物理、化學(xué)性質(zhì)的改變而引起傳播光特性發(fā)生變化的性質(zhì)。光纖化學(xué)傳感器利用光化學(xué)效應(yīng)工作。在測量中，光纖本身作為傳感媒介，與化學(xué)傳感系統(tǒng)相結(jié)合。如，光纖端部固定有敏感膜，被分析物與化學(xué)傳感試劑的化學(xué)作用引起光學(xué)特性變化，通過光纖進行檢測。2.3熱化學(xué)效應(yīng)指可燃性氣體在催化氧化過程中所放熱量會引起溫度變化的特性，該溫度的變化量與氣體的種類和濃度有關(guān)，通過測量溫度的變化量可實現(xiàn)對氣體的檢測。這種氣體傳感器的選擇性可由不同的催化劑來控制。接觸燃燒式傳感器，當(dāng)易燃氣體接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會產(chǎn)生氧化反應(yīng)而燃燒。通過在鉑電阻線圈上覆蓋一層氧化鋁，然后燒結(jié)成一個敏感膜。傳感器工作在高溫區(qū)，其目的是使氧化作用加強。氣體燃燒時釋放出熱量，導(dǎo)致溫度升高，使鉑電阻的阻值發(fā)生變化，通過電橋測量電路實現(xiàn)氣體濃度檢測。3生物效應(yīng)指生物活性物質(zhì)能識別某種被測物質(zhì)，并發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)（物理、化學(xué)變化），產(chǎn)生物理、化學(xué)現(xiàn)象，或產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)。利用生物效應(yīng)制成的各種生物傳感器是近年來發(fā)展很快的一類傳感器，在化學(xué)工業(yè)的監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)保監(jiān)測等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。生物或生物物質(zhì)是指酶、微生物、抗體等，它們的高分子具有特殊的性質(zhì)，能精確地識別特定的原子和分子。利用這種單一的識別能力可判定某種物質(zhì)是否存在，其濃度是多少，再將此信息轉(zhuǎn)化為電信號就可對被測物質(zhì)進行特定的識別。3.1酶反應(yīng)酶由蛋白質(zhì)形成，是一種生物催化劑。能對特定物質(zhì)進行催化反應(yīng)，生成或消耗電極活性物質(zhì)（如O2、H2O2、CO2、NH3等）。用電化學(xué)測量裝置測定反應(yīng)中電極活性物質(zhì)量的變化，就可得到被測成分的濃度。酶反應(yīng)的特性與酶的活性、酶膜厚度、PH值和溫度有關(guān)。生物細胞的復(fù)雜代謝就是由成千上萬個不同的酶控制的，酶的催化效率極高，而且具有高度專一性，即只能對特定待測生物量進行選擇性催化，并且具有化學(xué)放大作用，利用酶的這種特性可制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器，用來測定各種糖、氨基酸、酯質(zhì)和無機離子等。在醫(yī)療、食品、發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境分析等領(lǐng)域獲得多方面的應(yīng)用。葡萄糖傳感器利用葡萄糖氧化反應(yīng)起一種特異催化作用的酶—葡萄糖氧化酶(GOD)，葡萄糖在GOD作用下被氧化，消耗氧氣，生成葡萄糖酸和H2O2，通過氧的消耗量，或H2O2的生成量，或由葡萄糖酸引起的PH值的變化就可測量葡萄糖的濃度。3.2微生物反應(yīng)將微生物作為生物催化劑進行的反應(yīng)。與酶反應(yīng)的機理類似，都是利用酶的分子識別功能和催化功能。每個微生物細胞都是一個極其復(fù)雜的完整生命系統(tǒng)，數(shù)以千計的酶在系統(tǒng)中高度協(xié)調(diào)地工作，所以微生物可看作是多種酶的綜合，即復(fù)合酶，用微生物代替酶，可獲得具有復(fù)雜功能的生物傳感器。微生物反應(yīng)有好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)兩大類。好氣性微生物生存在含氧條件下，生長過程離不開氧，它吸入氧氣而放出二氧化碳，通過氧電極或二氧化碳電極測出氧氣或二氧化碳含量，即可得知微生物生理狀態(tài)。把這種微生物傳感器放入含有有機化合物的試液中，有機物的濃度會影響微生物的呼吸狀態(tài)，因此通過微生物傳感器可對有機物的濃度進行定量測試。厭氣性微生物，氧氣的存在會妨礙它的生長，可根據(jù)二氧化碳的量或代謝產(chǎn)物量得知其生理狀態(tài)。3.3免疫反應(yīng)一旦病原菌或其它異性蛋白質(zhì)（即抗原）侵入人體，會在人體內(nèi)產(chǎn)生能識別抗原并將其從體內(nèi)排除的物質(zhì)（稱為抗體），抗原與抗體結(jié)合形成復(fù)合物的反應(yīng)稱為免疫反應(yīng)，通過反應(yīng)能將抗原清除。抗體對相應(yīng)的抗原具有識別和結(jié)合的雙重功能，所以抗體能有選擇地域抗原結(jié)合而不與其他物質(zhì)結(jié)合，利用抗體對抗原的識別功能和與抗原結(jié)合功能研制的傳感器就是免疫傳感器，臨床上常用來檢驗各種抗原和抗體。四、新型傳感材料任何傳感器都需要選擇恰當(dāng)?shù)牟牧蟻碇谱鳎捎诓牧峡茖W(xué)的進步，人們可制造出各種新型傳感器，所以開發(fā)新型功能材料是發(fā)展傳感技術(shù)的關(guān)鍵之一。1半導(dǎo)體敏感材料半導(dǎo)體材料對很多信息量，如光、熱、壓力、磁場、輻射、濕度、氣體、離子等具有敏感特性，能將這些信息轉(zhuǎn)化為電信號形式輸出。在多種傳感器制造技術(shù)中，半導(dǎo)體材料的加工技術(shù)發(fā)展很快，易于實現(xiàn)微型化、多功能化、集成化和智能化，也是目前傳感技術(shù)發(fā)展的方向，所以半導(dǎo)體材料是一種理想的傳感器材料，在傳感技術(shù)領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。以硅為基體的半導(dǎo)體材料是應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、硅藍寶石等。硅傳感技術(shù)促進和推動了傳感技術(shù)的發(fā)展。具有以下特點：(1)很好結(jié)合了硅材料的優(yōu)良力學(xué)性能和電學(xué)性能；(2)制造工藝與微電子集成制造工藝相容，促進傳感技術(shù)向小型化、微型化、多功能化、集成化和智能化發(fā)展；(3)功耗低、輕質(zhì)、響應(yīng)快、易批量生產(chǎn)和性價比高，提高了穩(wěn)定性、可靠性和測量精度?；衔锇雽?dǎo)體材料（如GaAs、InSb等）具有耐高溫、抗輻射、電子遷移率等優(yōu)點，先進的圖像傳感器常采用該類材料?；衔锇雽?dǎo)體的一個重要發(fā)展方向是超晶格材料，具有低噪聲高電子遷移率，靈敏度極高，是檢測極微量的敏感材料，可用來制成光敏、磁敏、超聲波等敏感元件。2陶瓷敏感材料陶瓷是用高溫?zé)Y(jié)法制成的非金屬無機固體材料，它是由晶粒、晶界、氣孔、雜質(zhì)和缺陷構(gòu)成的多晶聚合物。其宏觀性能取決于組成和微觀結(jié)構(gòu)。特點：物理化學(xué)性能穩(wěn)定，機械強度較高，耐高溫，耐腐蝕，用途：可制成力敏、壓敏、熱敏、光敏、聲敏、氣敏、濕敏和離子敏等傳感器。陶瓷敏感材料種類繁多，極有發(fā)展?jié)摿ΓＳ玫挠邪雽?dǎo)體陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、離子導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷和鐵氧體等，其中，半導(dǎo)體陶瓷是傳感器敏感元件應(yīng)用的主要材料。采用化學(xué)、物理及熱性能穩(wěn)定的金屬氧化物燒結(jié)陶瓷制造的。3高分子材料具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料。高分子是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物，其中所含的原子數(shù)可達數(shù)萬，甚至數(shù)十萬。主要表現(xiàn)為絕緣性，近年發(fā)現(xiàn)某些高分子材料可處理成具有半導(dǎo)體甚至金屬的特性。用于開發(fā)出多種機械和聲學(xué)以及電化學(xué)、化學(xué)、生物傳感器?？刂坪透淖兏叻肿硬牧现袚饺氲奶砑觿?，材料能呈現(xiàn)出多樣的特性。目前，幾乎有一半的化學(xué)和生物傳感器是基于某種高分子材料的。根據(jù)敏感機理的不同可分為非導(dǎo)電性高分子材料，導(dǎo)電性高分子合成物、高分子電解質(zhì)及聚合高分子電解質(zhì)、導(dǎo)電性合成高分子薄膜、吸附性材料、離子交換性薄膜、選擇性滲透膜、帶有特定識別區(qū)膜以及光敏高分子材料等。非導(dǎo)電性高分子材料是一種絕緣型材料，絕緣特性可用兩個重要物理特性來描述：介電常數(shù)（描述材料在電場中的極化性）和自發(fā)極化強度矢量（在無電場時存在）。絕緣材料的極化性可通過機械壓力（壓電效應(yīng)）或溫度變化（熱點效應(yīng)）來改變。如聚偏氟乙烯（PVDF）具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，其特點是靈敏度高，壓電常數(shù)比石英高十多倍，溫度分辨率高，機械強度高，易加工，可制成聲學(xué)傳感器等。PVDFPiezoelectricfilmContactmicrophoneUltrasonic導(dǎo)電性高分子材料是一種電絕緣高分子基體加載一種導(dǎo)電性填充物合成。在合成物中電阻系數(shù)的變化是填充物濃度的函數(shù)，它描述了隨著在兩個填充材料微粒之間電子導(dǎo)電通道的出現(xiàn)而呈現(xiàn)的導(dǎo)電性。改變填充物容量的環(huán)境效應(yīng)，如由于熱交換引起的溫度變化，由于彈性系數(shù)引起的變形和由于濕度和吸收蒸汽而導(dǎo)致的材料膨脹等，都會引起電阻系數(shù)的變化。因而采用導(dǎo)電性高分子材料可制備熱敏電阻、壓阻式壓力、觸覺、濕度和氣體傳感器。光學(xué)敏感高分子材料是一種合成高分子材料。由于高分子材料本身的光學(xué)參數(shù)不受環(huán)境的影響，在其中摻進另一種光學(xué)敏感材料，能使之對光具有敏感效應(yīng)，包括比色、熒光性、發(fā)光性效應(yīng)、光的折射和傳播變化。如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）已廣泛應(yīng)用于光纖傳感器中，用作光波導(dǎo)或覆層；帶各種指示色的高分子化合物可應(yīng)用于離子、氣體、濕度或酶傳感器。光纖測量技術(shù)具有分散測量的能力。對光纖的測量值進行濾波或輸出處理后，一根光纖整個長度均可作為一個傳感器，可提供優(yōu)于點測量的斷面測量。此外，光纖傳感器還具有一些常規(guī)傳感器無可比擬的優(yōu)點，如靈敏度高、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍大、防電磁場干擾、超高壓絕緣、無源性、防燃防爆、適于遠距離遙測、多路系統(tǒng)無地回路“串音”干擾、體積小、機械強度大、可靈活柔性撓曲、材料資源豐富、成本低等優(yōu)點。4納米材料納米是一個尺度單位，1納米是十億分之一米（10-9m，nm），約為4倍原子大小。納米材料一般是指尺寸在1-100nm之間的金屬、合金、半導(dǎo)體、氧化物及各種化合物的顆粒及由納米微粒構(gòu)成的納米固體材料。納米材料以原子或分子為起點，可設(shè)計出更強、更輕、可以自修復(fù)的結(jié)構(gòu)材料。與傳統(tǒng)材料相比，納米材料尺寸小、結(jié)構(gòu)特殊，因此具有許多新的物理化學(xué)效應(yīng)，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)，使納米材料成為傳感技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。如1克納米尺度的微粒，其表面及可達幾萬平方米，由于表面積增大，活性大大增強，利用這一特性，可制成更理想的氣敏傳感器。當(dāng)金屬分割成納米超細微粒時，由于對光的吸收能力大大增強而變成黑體，具有這種特性的材料，可稱為最靈敏的光敏材料。利用納米材料制成傳感器的敏感元件，須嚴格控制工藝過程中的工藝條件和工藝方法，材料保證材料一直處于納米量級，納米材料的優(yōu)異特性才能發(fā)揮出來。如納米半導(dǎo)體陶瓷氣敏材料納米粉體的制備根據(jù)原材料的形態(tài)，可分為固相法、液相法、氣相法以及涉及三種形態(tài)的復(fù)合相制法。納米粉體再通過粉體成型、燒結(jié)、裝配等十幾道后序工藝最終制成敏感元件。在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用納米技術(shù)制成的納米傳感器，可深入細胞內(nèi)產(chǎn)生各種生化反應(yīng)，得到化學(xué)信息和電化學(xué)信息，可對致病機理進行研究，深化對生命現(xiàn)象的理解。納米傳感器的誕生將會極大豐富傳感器的理論，推動傳感器的制作水平，拓寬傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。碳納米管基鐵電場效應(yīng)晶體管碳納米管獨特的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)為其電子器件應(yīng)用提供了巨大潛力。中國科學(xué)院物/htmlpaper/20094241433542305943.html理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室開發(fā)出一種基于碳納米管的鐵電場效應(yīng)晶體管存儲器件單元。五、先進加工技術(shù)傳感技術(shù)的發(fā)展出了與新效應(yīng)新材料有關(guān)，還與其加工技術(shù)有關(guān)。伴隨著新型傳感器的研究和開發(fā)，以及其他相關(guān)科技的發(fā)展，加工技術(shù)特別是微機械加工技術(shù)得到了前所未有的進步。目前，傳感器有逐漸小型化、微型化的趨勢，以集成電路制造技術(shù)為基礎(chǔ)的微機械加工技術(shù)可使加工出來的敏感元件尺寸達到光的波長級，并可大批量生產(chǎn)，從而制造出超小型且價格便宜的傳感器。如利用微機械加工技術(shù)制造的硅微傳感器，其敏感尺寸非常微小，典型尺寸在微米級或亞微米級，相應(yīng)體積質(zhì)量大幅減少，具有傳統(tǒng)硅傳感器不具備的優(yōu)點。硅微傳感器用于壓力、氣體、濕度等測量時，能感受微小被測量的變化，測量精度高，可靠性好，具有很好的發(fā)展前景。1薄膜加工技術(shù)在微傳感器中利用各種材料制成薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金屬（合金）膜等，有的作為傳感器的敏感膜，有的作為介質(zhì)膜起絕緣層作用，有的作導(dǎo)電膜。在一定基底上，用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相淀積等工藝技術(shù)，制成金屬、合金、半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體等材料的薄膜，且薄膜厚度在微米級，該加工技術(shù)稱為薄膜加工技術(shù)。利用該技術(shù)，可制成力敏、光敏、磁敏、氣敏、濕敏、熱敏、化學(xué)敏、生物敏等薄膜敏感元件。(1)真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)和濺射屬于物理氣相淀積方法，需在真空中進行，主要設(shè)備是真空鍍膜機，外加鐘罩提供真空環(huán)境。在真空室內(nèi)將待蒸發(fā)（源）材料置于加熱器中加熱，使其分子或原子獲得足夠熱能離開原材料，形成蒸汽狀，淀積到基底上，從而形成薄膜。蒸發(fā)所要求的環(huán)境真空度在1.33×10-2Pa以下，這樣，被蒸發(fā)的材料分子才不會受氣體的碰撞甚至相互發(fā)生反應(yīng)而影響蒸發(fā)效果，蒸發(fā)制備的膜純度很高。在真空室內(nèi)，有一個高熔點材料鎢絲繞制的螺旋形加熱器，鎢絲上掛著待蒸發(fā)的金屬絲，如金絲。蒸發(fā)成膜的具體方法是使用真空泵把真空室內(nèi)的氣壓抽至1.33×10-2Pa以下，然后對鎢絲通以大電流，加熱待蒸發(fā)金屬絲，當(dāng)溫度達到蒸發(fā)溫度1-2千度之間，蒸發(fā)材料表面的原子或分子開始蒸發(fā)，離開材料表面，由于真空室內(nèi)殘留氣體分子很少，蒸發(fā)原子或分子不經(jīng)碰撞到達基片，凝結(jié)成膜。(2)濺射成膜濺射是材料表面受到具有一定能量的離子轟擊而發(fā)射原子的現(xiàn)象，其基本原理是利用電場作用（用高電壓，通常在1000V以上）將氣體電離，正離子向陰極方向高速運動，撞擊陰極表面后，將自己的能量傳遞給處于陰極的濺射材料，使濺射材料的原子或分子逸出，沉淀到陽極工作臺上的基片上，形成薄膜。濺射方式有射頻濺射、等離子濺射和反應(yīng)濺射等多種，其中以射頻濺射應(yīng)用最為廣泛。射頻濺射是用高頻交流電壓進行濺射，最大優(yōu)點是能濺射多種材料，如金屬半導(dǎo)體材料，介質(zhì)材料以及各種氮化物、氧化物等薄膜。射頻濺射還具有濺射速度快、膜層致密、純度高、膜與基片附著力強、厚度易于控制等特點。(3)化學(xué)氣相淀積化學(xué)氣相淀積法（ChemicalVaporDeposition,CVD）使含有待淀積物質(zhì)的化合物升華成氣體，與另一種氣體化合物在一個反應(yīng)室中進行反應(yīng)，生成固態(tài)的淀積物質(zhì)，使之淀積在基底上而生成薄膜的方法。這種方法薄膜的生成率和性能取決于淀積時間、氣體反應(yīng)物的流量、反應(yīng)溫度、基底的表面狀態(tài)和溫度等因素。2光刻技術(shù)光刻技術(shù)是把設(shè)計好的圖形轉(zhuǎn)換到硅片上的一種技術(shù)。光刻技術(shù)包括紫外線光刻、X射線光刻、電子束光刻和粒子束光刻等。隨著傳感器的微型化要求，光刻操作對象圖形特征尺寸越來越小，從而對光刻分辨率要求越來越高。當(dāng)前的光刻技術(shù)，采用193nm曝光波長，可實現(xiàn)大于100nm線寬的圖形。下一代光刻技術(shù)，*157nm曝光，小于50nm線寬圖形。再下一代光刻技術(shù)，**126nm曝光。*德國的CarlZeiss公司美國的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室、SVGL公司日本的尼康公司荷蘭的ASML公司**德國的CarlZeiss公司美國的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室光刻技術(shù)——IC產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)0246810mm用AFM機械刻蝕原理刻寫的亞微米尺寸的唐詩STM技術(shù)在Si(111)面上形成的“中國”字樣。最鄰近硅原子間的距離為0.4nm。納米量級結(jié)構(gòu)的制作是納米技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國SPM系統(tǒng)在Au-Pd合金膜表面上機械刻畫出的最小線寬為25nm。3腐蝕加工技術(shù)該技術(shù)是形成微型傳感器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用該技術(shù)能制造微型傳感器和微型執(zhí)行器的精密三維結(jié)構(gòu)，且能和集成電路工藝兼容。根據(jù)腐蝕速率是否與硅的晶向有關(guān)，該方法分為各向同性和各向異性兩種。各向同性腐蝕指腐蝕時在各個方向上的腐蝕速率相同。各向異性腐蝕表現(xiàn)為各個方向腐蝕速率不同，它與晶向、摻雜等各種因素有關(guān)?？蓪璨牧线M行精細加工，制作復(fù)雜的敏感元件。根據(jù)腐蝕劑的相態(tài)，腐蝕方法可分為液相、氣相和等離子態(tài)三種。采用液相腐蝕劑的腐蝕方法又稱為濕法腐蝕，而采用氣相和等離子態(tài)腐蝕稱為干法腐蝕，這類腐蝕方法具有很高的分辨率和精度。在加工過程中，先生長一層氧化層作為光刻掩膜，(100)硅晶面表面氧化，并覆蓋光敏膠形成圖案，再浸入氫氟酸中，進行氧化層腐蝕；然后再將此片放入各向異性的腐蝕液中對晶面進行縱向腐蝕，腐蝕速率依賴于晶向，沿主晶面(100)的腐蝕速率最快，(111)面最慢。腐蝕出腔體的界面為(111)面，與(100)表面夾角為54.74度。4鍵合技術(shù)該技術(shù)是在微機械加工過程中將分開的部件連接在一起的技術(shù)。鍵合可以通過聚合物黏合劑、熔化玻璃、固體電解質(zhì)、熔化合金等方法實現(xiàn)，但這些方法都會在硅片中產(chǎn)生熱應(yīng)力，不利于器件應(yīng)用。目前采用的技術(shù)主要是靜電鍵合技術(shù)和硅-硅直接鍵合技術(shù)。(1)靜電鍵合技術(shù)

又叫陽極鍵合，主要用于硅與玻璃之間的封接，亦可將玻璃與金屬、合金鍵合在一起，不用黏合劑，工藝簡單，密封性好，強度可靠性高。靜電鍵合機理是在強大的靜電力作用下，將兩個被鍵合的表面緊壓在一起，在一定的溫度下使硅與玻璃在界面處接近到分子級的距離而形成牢固永久性的分子鍵合，使兩個表面牢固、均勻、密封地結(jié)合在一起。(2)硅-硅鍵合技術(shù)

是將硅片與硅片直接或通過一層薄膜（如SiO2）進行原子鍵合，實現(xiàn)硅一體化封裝。主要有三個步驟：(a)對硅片表面進行化學(xué)處理；(b)預(yù)鍵合使兩個硅片表面接觸；(c)升高溫度使臨近原子間相互反應(yīng)產(chǎn)生共價鍵并進行鍵合。鍵合后，兩個原子單層的鍵合可以具有與其未鍵合時相同的電學(xué)性能和力學(xué)性能。采用硅-硅鍵合技術(shù)比靜電鍵合技術(shù)優(yōu)越。利用靜電鍵合技術(shù)可將硅與玻璃等材料封接在一起，因所用材料的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度降至室溫時，鍵合面將產(chǎn)生應(yīng)力，影響傳感器和集成電路的性能。利用硅-硅鍵合技術(shù)，獲得硅-硅鍵合界面，兩者材料匹配，熱膨脹系數(shù)和彈性系數(shù)相等，能消除因材料性能失配引起的應(yīng)力；同時不需要電場，工藝簡單，鍵合強度高，封裝氣密性好。這都有利于提高傳感器的長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。5X射線深層光刻電鑄成型技術(shù)該技術(shù)又稱LIGA，是德國Karlsruhe研究中心開發(fā)出來的，包括深層同步輻射X射線光刻(Lithography)、微電鑄成型(Electroforming)和熟料鑄模(Micromolding)3個重要環(huán)節(jié)。LIGA技術(shù)被用來進行高深寬比三維立體加工，被認為是進行三維微細加工最有前途的方法，可以加工多種金屬材料，也可加工陶瓷、塑料等非金屬材料。各種微加工技術(shù)比較該技術(shù)基本制作步驟是：(1)用同步輻射X射線光刻技術(shù)光刻出所要求的圖形；(2)利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具；(3)利用微塑鑄制備各種材料的結(jié)構(gòu)。其關(guān)鍵技術(shù)是深層光刻技術(shù)。一方面需要高強度、平行性很好的光源；另一方面抗蝕劑必須有良好的分辨率、機械強度、低應(yīng)力，同時還要與基片黏附性好。六、研究熱點當(dāng)前，新型傳感器和現(xiàn)代傳感技術(shù)的研究熱點主要集中在光傳感器、化學(xué)傳感器、生物醫(yī)學(xué)傳感器、MEMS傳感器以及多傳感器融合技術(shù)等。1光傳感技術(shù)激光的出現(xiàn)和光電子技術(shù)的快速發(fā)展，同時光子特有的抗電磁干擾性質(zhì)和光學(xué)傳感器具有抗腐蝕、耐高溫等特性，已廣泛用于極端環(huán)境的信息提取、非接觸精密測量、遠程控制等。光傳感器件種類眾多，傳感技術(shù)內(nèi)容涵蓋的范圍甚廣。主要有光波干涉?zhèn)鞲衅?、光電傳感器、光纖傳感器、圖像傳感器以及計量光柵傳感器，隨著器件的發(fā)展和應(yīng)用不斷推廣，已形成了各自相關(guān)的傳感技術(shù)。光電傳感器結(jié)構(gòu)和形式多樣，廣泛應(yīng)用于電子裝置和電子設(shè)備系統(tǒng)中。光纖傳感器具有抗電磁場干擾、高絕緣強度、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕、柔韌、能與數(shù)字通訊系統(tǒng)兼容等優(yōu)點。應(yīng)用：生產(chǎn)過程自動化控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等。圖像傳感器主要應(yīng)用：航天遙感、天文、醫(yī)療和工業(yè)檢測儀器目標(biāo)識別、圖像測量、偵查等各領(lǐng)域?；诠獠ǜ缮嬖順?gòu)筑的各類干涉系統(tǒng)，是目前超精密測量中應(yīng)用最多的傳感技術(shù)。計量光柵傳感器：基于莫爾干涉條紋進行精密測量、定位與控制。應(yīng)用：工業(yè)數(shù)控機床。高錕(CharlesKuenKao)

諾貝爾物理學(xué)獎得主

*Kao,C.K.,Hockham,G.A.(1966)Dielectric-fibreSurfaceWaveguidesforOpticalFrequencies.ProceedingsoftheInstitutionofElectricalEngineers-London113,p.1151.光纖之父

生于上海書香世家香港中文大學(xué)第三任校長

1996年當(dāng)選中科院外籍院士有顆小行星名為“高錕星”能做前所未有的事，我感覺很滿足愛光纖更愛太太，親近家人寧當(dāng)“阿四”2化學(xué)傳感技術(shù)主要用于檢測物質(zhì)成分?；诜抡鎸W(xué)研制開發(fā)的嗅覺傳感器和味覺傳感器，能識別各種氣體成分和氣味。這類對氣體敏感的氣敏傳感器可廣泛用于環(huán)境污染、食品衛(wèi)生、醫(yī)療、有害氣體、違禁物品的檢測。3生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)21世紀五大醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)之一。是現(xiàn)代生物技術(shù)與微電子學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等多學(xué)科交叉結(jié)合的產(chǎn)物。其最新進展是由于生物芯片技術(shù)的興起?；谏镄酒纳镝t(yī)學(xué)傳感器，在醫(yī)學(xué)上的臨床診斷、醫(yī)學(xué)工程以及基因工程有著廣泛應(yīng)用前景，是未來生物醫(yī)學(xué)傳感器發(fā)展的重要方向。4MEMS傳感技術(shù)MEMS(MicroElectroMechanicalsystems)傳感技術(shù)所涉及的技術(shù)學(xué)科包括電子機械、IC、材料物理化學(xué)、生物、光學(xué)、流體等工程以及封裝技術(shù)。MEMS傳感器已從對高度復(fù)雜的單個傳感器的模擬信號分析，轉(zhuǎn)變?yōu)橛晌⑻幚砥骺刂频膶鞲衅麝嚵行盘柦M成的數(shù)字化處理研究。多個具有不同特性的多個傳感器陣列與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，即電子鼻，將在工業(yè)、國防、環(huán)保以及人們生活中得到廣泛應(yīng)用。Thesoftcontactlenslikesensor,withitsMEMSantenna(goldenrings),itsMEMSsensor(silverringclosetotheouteredge),andmicroprocessor.Sensorplacedontheeye,centeredonthecorneawithnoelementsintheline由RoboticsDepartmentattheUniversityofEssex設(shè)計電池驅(qū)動機械魚，將大量投入西班牙的Gijon河水質(zhì)監(jiān)控。這些成本達360,000,000美元的機械魚將負責(zé)測試水中的溶氧量，檢測河中的原油泄漏或者其他污染源，預(yù)計這些數(shù)據(jù)有助于我們理解全球暖化程度以及河水狀態(tài)。http://dces.essex.ac.uk/staff/hhu/jliua/videogal.htm5多傳感器融合技術(shù)近年來，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)已成為各相關(guān)學(xué)科研究的一個熱點，在眾多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，并且不斷有新的理論和應(yīng)用方法問世。因為采用傳感器融合技術(shù)，可實現(xiàn)綜合考慮各傳感器特性、解決相互干擾、優(yōu)點共享，以及提高多傳感器復(fù)合系統(tǒng)的性能、增強系統(tǒng)對周圍環(huán)境情況的了解和判斷的準確性。（二）現(xiàn)代檢測技術(shù)目錄一、傳統(tǒng)檢測的特點二、現(xiàn)代檢測技術(shù)三、現(xiàn)代檢測技術(shù)的含義和特征四、現(xiàn)代檢測技術(shù)中常用的方法一、傳統(tǒng)檢測技術(shù)

檢測技術(shù)的基本概念利用敏感元件或其它信息獲取手段得到被測量的信息。檢測是人類認識自然界、改造自然界的重要途徑。傳統(tǒng)的檢測儀表或系統(tǒng)由敏感元件、信號放大與變換單元和顯示裝置等環(huán)節(jié)組成。敏感元件信號放大與變換顯示裝置被測參數(shù)敏感元件也稱檢測元件，其作用是感受被測參數(shù)并將被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成另一種物理量的變化，以便進一步進行信息的變換和信息的顯示。如銅電阻。由于敏感元件的輸出信息一般都比較小或輸出的信號通常不能直接被顯示裝置所接受，所以敏感元件的輸出需經(jīng)過必要的信號變化和信號放大，以保證信號的正常顯示。顯示裝置可以是模擬指針式、數(shù)字式，還可是屏幕式。傳統(tǒng)檢測的特點被測變量與待測變量的統(tǒng)一。敏感元件所感受的被測變量就是要測量的量，即用單個傳感器實現(xiàn)與之對應(yīng)的一個參數(shù)的測量。被測變量的大小與傳感器輸出的統(tǒng)一。傳感器的輸出與被測變量有單值的、確定的函數(shù)關(guān)系，常常是線性關(guān)系，其他環(huán)境參數(shù)對傳感器的輸出幾乎沒有影響，或者明確的影響關(guān)系，或可用函數(shù)來描述。二、現(xiàn)代檢測技術(shù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展社會的日益進步現(xiàn)代化生產(chǎn)的規(guī)模越來越大管理形式和方式趨于多樣性對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量要求越來越高常規(guī)的檢測參數(shù)、檢測手段、檢測儀表難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需求。一般的單參數(shù)測量一般的參數(shù)的量值測量確定性的測量相關(guān)多參量的綜合自動檢測參數(shù)的狀態(tài)估計模糊的判斷這些已成為當(dāng)前檢測領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢，正受到越來越廣泛的關(guān)注，從而形成了各種新的檢測技術(shù)和新的檢測方法，這些技術(shù)和方法統(tǒng)稱為現(xiàn)代檢測技術(shù)。智能化虛擬化網(wǎng)絡(luò)化微型化軟測量技術(shù)現(xiàn)代檢測技術(shù)發(fā)展趨勢計算機虛擬儀器技術(shù)用PC機＋儀器板卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器用計算機軟件代替硬件分析電路三、現(xiàn)代檢測技術(shù)的含義和特征現(xiàn)代檢測技術(shù)是指采用先進的傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、建模與推理等技術(shù)實現(xiàn)用常規(guī)儀表、方法和手段無法直接獲取的對待測參數(shù)的檢測。1.從待測參數(shù)的性質(zhì)來看現(xiàn)代檢測技術(shù)主要用于非常見的參數(shù)的測量，對于這些參數(shù)的測量目前還沒有合適的傳感器所對應(yīng)，難以實現(xiàn)常規(guī)意義的“一一對應(yīng)”的測量；另一種情況是待測參數(shù)雖然已有傳感器，但測量誤差比較大，受各種因素的影響較大，不能滿足測量要求。2.從應(yīng)用的領(lǐng)域(對象)來看現(xiàn)代檢測技術(shù)主要用于復(fù)雜設(shè)備（對象）、復(fù)雜過程的影響性能質(zhì)量等方面的綜合性參數(shù)，如高速運動機械的故障