傳感器的智能化和微型化12.1

傳感器的智能化和微型化概述12.2

智能傳感器12.3

微型傳感器

思考題與習(xí)題傳感器的智能化和微型化12.1

傳感器的智能化和微型化概述12.1.1

傳感器的智能化智能傳感器是帶有微處理器，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、

信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器，應(yīng)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)

展的需要而產(chǎn)生，集傳感器技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論

與現(xiàn)代通信技術(shù)等于一體，是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，也是傳

感器技術(shù)克服自身不足向前發(fā)展的必然趨勢(shì)和結(jié)果。目前，智能傳感器的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，多數(shù)智能傳感

器由幾塊相互獨(dú)立的模塊電路與傳感器組裝在一起構(gòu)成。未來

的智能傳感器將是傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和微型計(jì)算機(jī)等集成

在同一芯片內(nèi)，即由超大規(guī)模集成電路構(gòu)成的芯片式智能傳感

器，因此智能傳感器的發(fā)展關(guān)鍵在于半導(dǎo)體集成技術(shù)。1.國(guó)內(nèi)智能傳感器的研究與國(guó)外相比，我國(guó)智能傳感器的研究主要集中在以下幾

個(gè)方面

：(1)采用先進(jìn)的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究開發(fā)將

傳感器和微處理器相結(jié)合、具有各種功能的單片集成化智能

傳感器，這是智能傳感器的主要發(fā)展方向之一。(2)利用生物工藝和納米技術(shù)研制傳感器功能材料，開

發(fā)分子和原子生物傳感器，為智能傳感器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。(3)采用部分進(jìn)口芯片、國(guó)產(chǎn)芯片和敏感元件，利用現(xiàn)

有條件研究實(shí)現(xiàn)混合型集成智能傳感器(系統(tǒng))。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化2.智能傳感器的發(fā)展從工程應(yīng)用看，智能傳感器不斷向網(wǎng)絡(luò)化、柔性化方向

發(fā)展。1)網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是智能傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的高速

發(fā)展與廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)測(cè)控技術(shù)。用網(wǎng)絡(luò)化

測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)試，是信息時(shí)代測(cè)試技

術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳感器作為信息采集必不可少的裝置，

也必然順應(yīng)這一潮流而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，如分布式測(cè)

控系統(tǒng)等。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)致力于研究智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信功能，將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合，從而

實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸及處理的真正統(tǒng)一和協(xié)同。它不僅實(shí)

現(xiàn)了智能化，如自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)、自診斷、數(shù)值處理、雙向

通信、信息存儲(chǔ)、數(shù)字量輸出等功能，而且，它還將敏感元

件、轉(zhuǎn)換電路和變送器結(jié)合為一體，并在自身內(nèi)部嵌入了通

信協(xié)議，直接傳輸滿足通信協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，從而具有強(qiáng)大

的通信能力。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是以嵌入式微處理器為核心，集成了

傳感單元、信號(hào)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元的新一代傳感器。傳感器的智能化和微型化網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)向多功能和多點(diǎn)檢測(cè)方向發(fā)展；從被動(dòng)檢測(cè)向主動(dòng)進(jìn)行信息處理

方向發(fā)展；從孤立元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；從就地

測(cè)量向遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測(cè)控方向發(fā)展。而且，網(wǎng)絡(luò)化智能傳

感器使傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)處理等方式產(chǎn)生了質(zhì)

的飛躍——各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享，

使測(cè)控系統(tǒng)本身也產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍——可以在網(wǎng)絡(luò)中的任何

節(jié)點(diǎn)處對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器進(jìn)行在線編程和組態(tài)。傳感器的智能化和微型化2)柔性化柔性傳感器也稱為軟傳感器，是一種以軟件算法為主的

測(cè)量手段。與傳統(tǒng)意義上的傳感器不同，軟傳感器所測(cè)量的

參數(shù)一般不是某個(gè)特定的物理量或化學(xué)量，而是針對(duì)具體的

應(yīng)用問題，采用較易直接測(cè)得的工藝參數(shù)(二次測(cè)量變量),

通過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，得到難以測(cè)量或者根本無法直接測(cè)量

的關(guān)鍵變量值，是一種間接的測(cè)量方法。在軟傳感器中，敏

感元件可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。數(shù)據(jù)采集通道將由傳感

器輸出的多元信息不做任何篩選和辨別地進(jìn)行獲取和讀入，

再通過相應(yīng)的信息處理手段得到與所需被測(cè)參量相關(guān)的檢測(cè)

信息，例如紅外光譜分析等。傳感器的智能化和微型化隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是嵌入式軟/硬件水平的提高，對(duì)多參數(shù)模型的在線處理已經(jīng)成為可能。它一方面可以

解決工程上難以檢測(cè)的變量值問題，另一方面又可為用某些

硬件方法測(cè)量到的變量值提供校正和參考，避免了昂貴的硬

件設(shè)備費(fèi)用。在工業(yè)應(yīng)用的眾多領(lǐng)域中，軟傳感器以其高度

柔性化及與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合方便等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為傳感器智能化的一個(gè)重要發(fā)展方向。傳感器的智能化和微型化實(shí)際上，軟傳感器主要是指處理單個(gè)或多個(gè)測(cè)量信號(hào)的軟件。因此，軟傳感器也稱為虛擬傳感器(virtual

sensor)或軟

測(cè)量技術(shù)。在軟傳感器系統(tǒng)中，有時(shí)需要從數(shù)個(gè)乃至數(shù)百個(gè)

測(cè)量信號(hào)中得到關(guān)于被測(cè)對(duì)象的特定參數(shù)。軟傳感器尤其適

用于那些不同靜、動(dòng)態(tài)特性混合在一起的場(chǎng)合，稱為數(shù)據(jù)融

合(data

fusion),常見于系統(tǒng)控制和故障診斷等。傳感器的智能化和微型化軟傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是過程控制。在對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行測(cè)控時(shí)，由于檢測(cè)元件及傳感器的限制，某些

過程輸出的采樣時(shí)間間隔很長(zhǎng)，影響了對(duì)擾動(dòng)的行之有效

的監(jiān)測(cè)。此外，還有一些過程參數(shù)，無法或難以用傳感器

直接測(cè)量。例如，蒸餾塔塔頂/塔底產(chǎn)品的化學(xué)成分檢測(cè)與

控制、化學(xué)反應(yīng)器反應(yīng)速率、化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各種成

分的檢測(cè)、生物發(fā)酵罐生物量參量、煉鋼過程中鋼水溫度

及成分的控制、高爐鐵水的含硅量、熔煉釩鐵、水泥回轉(zhuǎn)

窯燒成段的溫度控制及連鑄連軋鋼坯表面溫度控制等。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化在實(shí)際應(yīng)用中，解決以上問題的方法有兩種：其一，選擇與不易檢測(cè)的輸出量相關(guān)的一些中間量進(jìn)行快速測(cè)量，

再通過軟件算法獲取被測(cè)量，此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)

間短，但中間變量如果選擇得不好，很難達(dá)到理想的效果；

其二，利用傳感器或分析儀器在線測(cè)量所需參數(shù)，再通過數(shù)

據(jù)處理得到相應(yīng)的控制決策，該方法比較直觀，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)雜，易出現(xiàn)控制滯后的問題。12.1.2傳感器的微型化傳感器的微型化是近年來傳感器發(fā)展的重要方向之一，

且發(fā)展極為迅速，以至逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立技術(shù)。微機(jī)械電子系統(tǒng)(Micro

Electro

Mechanical

System,MEMS)

技術(shù)的發(fā)展是傳感器微型化的基礎(chǔ)，微型傳感器是目

前最為成功、最具實(shí)用性的微機(jī)械電子系統(tǒng)裝置?？梢哉f，沒有微機(jī)械電子系統(tǒng)技術(shù)，就沒有微型傳感器。因此，微機(jī)

械電子系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展決定了微型傳感器技術(shù)的發(fā)展。微機(jī)械電子系統(tǒng)簡(jiǎn)稱微機(jī)電系統(tǒng)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一門綜合性技術(shù)。傳感器的智能化和微型化通常認(rèn)為，微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，融合了硅、非硅微加工和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的微型系統(tǒng)，它可將信息獲取、處

理和執(zhí)行集成于一個(gè)器件上。微機(jī)電系統(tǒng)可以制作微傳感器、微執(zhí)行器、微能源等微

機(jī)械基本部分，也可制作由高性能的電子集成線路組成的微

機(jī)電器件和裝置。微機(jī)電系統(tǒng)目前的研究主要包括以下幾個(gè)方面。傳感器的智能化和微型化1.基礎(chǔ)理論研究隨著尺寸的縮小，物質(zhì)的宏觀特性將發(fā)生改變，因此在

微機(jī)電系統(tǒng)中，需要研究微機(jī)械學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、

微摩擦學(xué)、微光學(xué)、微結(jié)構(gòu)學(xué)、納米生物學(xué)等。2.技術(shù)基礎(chǔ)研究微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)主要涉及設(shè)計(jì)技術(shù)、加工技術(shù)、材

料技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、集成與控制技術(shù)等。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化1)設(shè)計(jì)方法研究微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有自底向上設(shè)計(jì)、自頂向

下設(shè)計(jì)和中間相遇設(shè)計(jì)等方法。自底向上設(shè)計(jì)法的仿真和設(shè)計(jì)費(fèi)用較少，但難以對(duì)系

統(tǒng)功能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化；自頂向下設(shè)計(jì)法雖然可以進(jìn)行

系統(tǒng)優(yōu)化，在整個(gè)過程中進(jìn)行仿真，但由于微機(jī)電系統(tǒng)涉

及的因素太多，目前在計(jì)算能力和仿真建模上還不能滿足

系統(tǒng)的要求；中間相遇設(shè)計(jì)法可利用宏觀模型，以這些模

型描述不同物理狀態(tài)的特性，在系統(tǒng)層面上進(jìn)行合理仿真，

相比之下這是比較可行的設(shè)計(jì)方法。微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依賴于成熟的CAD

系統(tǒng)，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)起步較晚，但在一系列國(guó)家科研計(jì)劃的支持

下，也展開了研究，如北京大學(xué)聯(lián)合東南大學(xué)、南開大學(xué)、

華大公司等單位，受國(guó)家973計(jì)劃的資助，開展了微系統(tǒng)設(shè)

計(jì)方法的研究，已建立了包括版圖設(shè)計(jì)、工藝模擬、性能分

析等主要功能的MEMS

CAD原型系統(tǒng)。傳感器的智能化和微型化2)材料技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)的材料既要保證微機(jī)電系統(tǒng)的性能要求，又

必須滿足系統(tǒng)中加工方法的要求，因此材料起著舉足輕重的

作用。目前，微機(jī)電系統(tǒng)中使用的材料主要包括硅、形狀記

憶合金、壓電材料、磁致伸縮材料、電流凝膠等。傳感器的智能化和微型化3)微加工技術(shù)微加工技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，是其研究領(lǐng)

域中最活躍的部分。微機(jī)電系統(tǒng)涉及的材料品種很多，加工

方法各異，發(fā)展速度快，不斷有加工方法的改進(jìn)，也不斷有

新的加工方法涌現(xiàn)。在眾多的材料中，最常用的是硅，因此涉及到硅微加工

的方法很多，很多技術(shù)和集成電路制造中的技術(shù)通用，如氧

化、摻雜、光刻、腐蝕、外延、淀積、鈍化等，還有體硅微

加工技術(shù)和表面硅微加工技術(shù)。另外還有一些新的加工方法，

如鍵合技術(shù)、LIGA

技術(shù)、準(zhǔn)分子激光加工技術(shù)和特種精密加

工技術(shù)等，這些方法極大地促進(jìn)了微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展。傳感器的智能化和微型化4)微檢測(cè)技術(shù)微檢測(cè)技術(shù)是保證加工質(zhì)量、研究加工規(guī)律和提高加工

水平的基礎(chǔ)，為加工過程提供定性或定量的評(píng)判依據(jù)。微機(jī)電系統(tǒng)檢測(cè)主要包括系統(tǒng)的材料特性檢測(cè)、結(jié)構(gòu)性

能檢測(cè)和系統(tǒng)綜合性能檢

測(cè)等。5)集成與控制技術(shù)集成化是微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，包括微傳感器、

微執(zhí)行器、微控制器、通信電路以及微能源的集成等。傳感器的智能化和微型化3.應(yīng)用研究微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在信息科學(xué)、生物科學(xué)、航

空航天、精密儀器、國(guó)防工業(yè)和汽車工業(yè)等方面，每年的市

場(chǎng)份額已經(jīng)達(dá)到幾十億美元，增長(zhǎng)迅速。微機(jī)電系統(tǒng)將帶來

一場(chǎng)新的技術(shù)革命。1)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)安全、舒適、無污染、經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)，需在汽車

上安裝各種傳感器，以及時(shí)獲取各種信息。傳統(tǒng)傳感器因體

積大、質(zhì)量大、成本高，其應(yīng)用受到很大限制。而微傳感器

具有高精確度、高可靠性和低成本的特性，因而成為汽車工

業(yè)的首選。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化目前，一般汽車上要安裝幾十個(gè)傳感器，而高檔豪華汽車則多達(dá)幾百個(gè)，這些傳感器正逐步被微傳感器取代。微傳

感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用主要包括以下幾方面。(1)發(fā)動(dòng)機(jī)控制和傳動(dòng)系統(tǒng)中：流量絕對(duì)壓力測(cè)量、氣壓

測(cè)量、排氣回流測(cè)量、燃料壓力測(cè)量等。(2)懸掛/制動(dòng)和牽引控制系統(tǒng)中：輪胎壓力監(jiān)測(cè)、主動(dòng)

懸掛液壓測(cè)量等。(3)駕駛與乘坐環(huán)境控制系統(tǒng)中：座椅腰部支撐壓力測(cè)量、

空調(diào)控制壓力測(cè)量等。2)在機(jī)器人中的應(yīng)用機(jī)器人學(xué)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科，代表

了機(jī)電一體化的最高成就，是科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。機(jī)器人

的發(fā)展受到傳感器發(fā)展水平的限制，所使用的傳感器的數(shù)量

和種類，決定了機(jī)器人的智能化程度。典型的機(jī)器人內(nèi)部的傳感器包括位移傳感器、速度傳感器、力覺傳感器、溫度傳感器、平衡覺傳感器等；外部的傳

感器主要有視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器、壓覺傳

感器、接近覺傳感器和滑覺傳感器等。傳感器的智能化和微型化在機(jī)器人中所使用的各種不同的傳感器，隨著微傳感器技術(shù)的發(fā)展，都逐漸由微傳感器代替，這不僅提高了機(jī)器人

的智能水平，而且豐富了機(jī)器人的品種，如微型機(jī)器人、微型飛行器等。例如，在工業(yè)上，美國(guó)Dwkane

公司研制了一種型號(hào)為AL5010的小型機(jī)器人，可以完成光導(dǎo)纖維的引線、粘接和對(duì)

接等復(fù)雜操作，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。在軍事上，微型飛行器可用于偵察、通訊中繼、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)

估、核生化探測(cè)、反恐防暴、對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行攻擊等；在民

用上，可用于交通、消防救援、防災(zāi)救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、氣象、環(huán)

境監(jiān)測(cè)等。因此各國(guó)對(duì)微型飛行器都非常重視，并投入大量

的人力、物力進(jìn)行研究開發(fā)。傳感器的智能化和微型化3)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用微傳感器在生物醫(yī)學(xué)及工程上的應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)醫(yī)療器械的改善以及疾病的預(yù)防、診斷和治療等都有重要作用。例如，顱內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由微壓力傳感器和遙測(cè)單元組成，其中，微壓力傳感器完成顱內(nèi)壓力的測(cè)量，遙測(cè)單元完

成信號(hào)的輸出；又如，將微型探測(cè)器插入腫瘤中，利用聲波脈沖為周圍組織成像，對(duì)腫瘤鑒定和分類，可及早判定腫

瘤是良性還是惡性；再如，通過生物芯片可完成對(duì)人類基因組DNA長(zhǎng)鏈上的化學(xué)序列的測(cè)定、基因圖譜的鑒定以及基

因突變體的檢測(cè)和分析等。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化12.2

智能傳感器12.2.1

智能傳感器的概念和特點(diǎn)1.智能傳感器的基本概念早期，人們認(rèn)為智能傳感器是將“傳感器和微處理器組裝在同一芯片上的裝置”,或認(rèn)為是“一個(gè)或多個(gè)敏感元件

和信號(hào)處理器集成在同一芯片上的裝置”。隨著傳感器智能化程度的進(jìn)步，傳感器的概念也逐步擴(kuò)展和延伸，由單一的

敏感元件擴(kuò)展為集信號(hào)獲取、處理、存儲(chǔ)與傳輸?shù)裙δ茉趦?nèi)的傳感器系統(tǒng)。因此，一個(gè)真正意義上的智能傳感器是具備

感知、學(xué)習(xí)、推理、通信以及管理功能的系統(tǒng)。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化所涉及的基本概念如下。(1)系統(tǒng)：兩個(gè)或兩個(gè)以上元件、子系統(tǒng)以及其它部件的

組合，用以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)功能。實(shí)際用于測(cè)量控制的系統(tǒng)

應(yīng)包括輸入單元(傳感器)、輸出單元(執(zhí)行器)及處理單元(對(duì)

信號(hào)進(jìn)行處理，得到所需的信息及知識(shí))。(2)傳感器：接收并響應(yīng)外界激勵(lì)的器件。外界激勵(lì)就是

被測(cè)量，可以是機(jī)械、熱、磁、電、光、化學(xué)等參量。(3)智能：將先驗(yàn)知識(shí)(調(diào)試或應(yīng)用以前已知)與自適應(yīng)學(xué)

習(xí)(在調(diào)試或應(yīng)用過程中獲得)組合起來的能力。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化隨著技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善，期間產(chǎn)生了多種智能傳感器的定義。定義1:智能傳感器是能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部性能以優(yōu)化外界數(shù)據(jù)獲取能力的傳感器系統(tǒng)。在這一定義中，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)

及補(bǔ)償能力是智能化傳感器的核心。定義2:智能傳感器是將敏感元件及信號(hào)處理器組合為單

一集成電路的器件。該定義側(cè)重于信號(hào)處理能力。

一般來說，

系統(tǒng)中應(yīng)包括基本的電路組件(信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器)、微處理器、邏輯功能以及得出結(jié)論的功能。傳感器的智能化和微型化定義3:智能傳感器是可提供比正確表達(dá)被測(cè)對(duì)象參量更多功能的傳感器。符合這一定義的傳感器即俗稱的“靈巧傳

感器”。盡管有多種不同的定義，但智能傳感器的主要組成部分

和功能特點(diǎn)是相同的，都是一個(gè)集敏感元件，數(shù)據(jù)獲取、處

理及傳輸功能于一體的系統(tǒng)，硬件的集成度很高，有些甚至

是芯片級(jí)的集成，即所謂的“芯片系統(tǒng)”(system

on

chip)。2.智能傳感器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)意義上的傳感器相比，智能傳感器(系統(tǒng))具有以

下特點(diǎn)

：(1)精度高。智能傳感器能夠通過自校正零點(diǎn)消除系統(tǒng)零

點(diǎn)偏差，通過自動(dòng)切換量程、軟件數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處

理保證高測(cè)量分辨力，能自動(dòng)完成系統(tǒng)的非線性誤差校正，與預(yù)置參考基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比并自動(dòng)完成系統(tǒng)標(biāo)定等，從而

保證智能傳感器實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。傳感器的智能化和微型化(2)可靠性和穩(wěn)定性高。自動(dòng)補(bǔ)償能力可使智能傳感器能在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化后自動(dòng)進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換；能自動(dòng)補(bǔ)償

因環(huán)境條件變化而產(chǎn)生的系統(tǒng)特性的漂移，如零點(diǎn)漂移、靈

敏度漂移等；能實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，分析、判斷系統(tǒng)運(yùn)行

的合理性，針對(duì)異常情況發(fā)出報(bào)警和故障提示；等等。這

些特性保證了智能傳感器工作的高穩(wěn)定性和高可靠性。傳感器的智能化和微型化(3)信噪比和分辨力高。智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息處理能力，通過軟件可以實(shí)現(xiàn)濾波、誤差分析等處理，方

便去除數(shù)據(jù)中的噪聲和奇異點(diǎn)，提取有用信號(hào)，保證它具有

高的信噪比。另外，通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，智能

傳感器能消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證了

在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測(cè)量的分辨能力。傳感器的智能化和微型化(4)自適應(yīng)性強(qiáng)。智能傳感器具有判斷、分析和處理功能，

能根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作情況決定各部件接電情況、與系統(tǒng)中

上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而使系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)

下，并能優(yōu)化傳輸速率。(5)性價(jià)比高。智能傳感器通過與微處理器/微計(jì)算機(jī)相

結(jié)合，采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來實(shí)

現(xiàn)檢測(cè)，具有高的性價(jià)比。傳感器的智能化和微型化12.2.2智能傳感器的結(jié)構(gòu)和功能1.智能傳感器的結(jié)構(gòu)智能傳感器由經(jīng)典傳感器和微處理單元兩部分構(gòu)成，其

典型結(jié)構(gòu)框圖如圖12-1所示。傳感器完成被測(cè)對(duì)象信息的拾取，預(yù)處理器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的

放大、濾波和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理功能，微處理器完成信號(hào)

的分析、補(bǔ)償或校正的運(yùn)算、數(shù)據(jù)的融合、各種邏輯控制等

任務(wù)，由存儲(chǔ)記錄模塊保存數(shù)據(jù)信息，通訊接口實(shí)現(xiàn)與上位

機(jī)的數(shù)據(jù)交換，控制輸出模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警等標(biāo)志的輸出。其中，傳感器部分可以是單個(gè)或多個(gè)傳感器，也可以把

多個(gè)功能相同的傳感器按一定規(guī)律組成陣列，而微處理器的

強(qiáng)大功能使傳感器具有了智能。傳感器的智能化和微型化智能傳感器微處理單元傳感器

預(yù)處理器圖12-1

智能傳感器的典型結(jié)構(gòu)框圖西安電子傳感器輸出西安電子存儲(chǔ)記錄微處理器通訊接口傳感器的智能化和微型化控制輸出被測(cè)對(duì)象2.智能傳感器的功能1)處理功能智能傳感器具有邏輯判斷和統(tǒng)計(jì)處理功能，可對(duì)檢測(cè)數(shù)

據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，還可對(duì)線性、非線性、溫度、噪

聲、響應(yīng)時(shí)間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提

高測(cè)量精度。2)自診斷功能智能傳感器能在接通電源時(shí)進(jìn)行開機(jī)自檢，并在工作中

進(jìn)行自檢，可實(shí)現(xiàn)自行診斷測(cè)試，以確定哪一組件有故障，

從而提高系統(tǒng)工作的可靠性。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化3)自適應(yīng)自調(diào)整功能智能傳感器可根據(jù)待測(cè)物理量的數(shù)值大小及變化情況自

動(dòng)選擇檢測(cè)量程和測(cè)量方式，提高檢測(cè)適應(yīng)性。4)記憶存儲(chǔ)功能智能傳感器可進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取，加快信息的處

理速度。5)組態(tài)功能智能傳感器可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大

檢測(cè)與使用的范圍。6)通訊功能智能傳感器具有數(shù)據(jù)通信接口，能與計(jì)算機(jī)直接連接，

相互交換信息，提高信息處理的質(zhì)量。3.智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式1)非集成化實(shí)現(xiàn)非集成化實(shí)現(xiàn)是將經(jīng)典傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線

接口的微處理器組合成一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。其中，經(jīng)典傳

感器只具有信號(hào)檢測(cè)能力；信號(hào)調(diào)理電路是將傳感器輸出信

號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入微處理器，再由微處理

器通過數(shù)字總線接口連接到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字總線上。數(shù)字總線是連

接測(cè)控系統(tǒng)中各種智能裝置(包括智能傳感器)的雙向數(shù)字通信

網(wǎng)絡(luò)，它的主要特點(diǎn)是傳輸數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。傳感器的智能化和微型化非集成化實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)智能傳感器的一種最快捷的途徑與方式。例如，美國(guó)羅斯蒙特公司、SMAR公司生產(chǎn)的電容

式智能壓力(差)變送器系列產(chǎn)品，是在傳統(tǒng)非集成電容式變

送器的基礎(chǔ)上，附加一塊帶數(shù)字總線接口的微處理器插板

后組裝而成的，并具有通信、控制、自補(bǔ)償、自校正、自

診斷等功能，從而實(shí)現(xiàn)了智能化。傳感器的智能化和微型化2)集成化實(shí)現(xiàn)集成化實(shí)現(xiàn)是利用半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入/輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，

組成大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡(jiǎn)稱集成式智能傳感器。集成式智能傳感器具有多功能、

一體化、高精度、適宜大批

量生產(chǎn)、體積小和便于使用等優(yōu)點(diǎn)，是傳感器發(fā)展的必然趨

勢(shì)，它的實(shí)現(xiàn)主要取決于半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)

展。隨著微米/納米技術(shù)的問世，大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)日

臻完善，集成電路器件密度越來越高，使各種芯片的性價(jià)比

不斷提高，而這反過來又促進(jìn)了微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，形

成了與傳統(tǒng)傳感器制作工藝完全不同的現(xiàn)代傳感器技術(shù)。這

類傳感器的特點(diǎn)是微型化、結(jié)構(gòu)一體化、高精度、多功能、陣列式、全數(shù)字化，且使用方便，操作簡(jiǎn)單。傳感器的智能化和微型化然而，要在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)，存在著許多困難，如：功耗、自熱、電磁耦合帶來的相互影響如

何在一塊芯片內(nèi)消除；哪一種敏感元件比較容易采用標(biāo)準(zhǔn)

的集成電路工藝來制作；選用何種信號(hào)調(diào)理電路；如何減

少外接元器件等。因此，更實(shí)際的途徑是采用混合實(shí)現(xiàn)的

方

式

。傳感器的智能化和微型化3)混合實(shí)現(xiàn)混合實(shí)現(xiàn)是將系統(tǒng)的各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感元件、信

號(hào)調(diào)理電路、微處理單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方

式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里，組成混合

實(shí)現(xiàn)式智能傳感器。目前，已有少數(shù)以組合形式出現(xiàn)的智能傳感器產(chǎn)品，如

美國(guó)Honeywell

公司的DSJ-3000

型硅壓阻式智能傳感器、ParScientific公司的1000系列數(shù)字式石英智能傳感器。我國(guó)也非

常重視智能傳感器的研究與開發(fā)，主要以傳統(tǒng)的傳感器為基

礎(chǔ)，采用先進(jìn)的微處理器和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，非集成化實(shí)現(xiàn)

傳感器的智能化。傳感器的智能化和微型化12.2.3

智能傳感器的應(yīng)用1.智能數(shù)據(jù)采集儀智能數(shù)據(jù)采集儀的主要功能有定時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

采集和上報(bào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)上報(bào)、自動(dòng)校時(shí)、自動(dòng)報(bào)

警、服務(wù)器地址設(shè)置、聯(lián)網(wǎng)狀況檢測(cè)等，其工作原理如圖12-2所示。下面介紹各模塊的具體功能。傳感器的智能化和微型化傳感

·實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊存儲(chǔ)模塊(SRAM,FLASH)電源管理模塊中央處理模塊(CPU)LPC2214天線模塊SIM卡模塊圖12-2數(shù)據(jù)采集儀工作原理圖開關(guān)量和模擬量

輸入模塊液晶顯示鍵盤GPRS

模塊

MC39i人機(jī)接口模塊1)中央處理模塊數(shù)據(jù)采集儀以ARM系列LPC2214

為核心，ARM芯片內(nèi)

部集成EPROM

、RAM

、

總線、I/O

、

串行口等，通過豐富的

外圍接口與各外部硬件模塊連接。在ARM

芯片內(nèi)部運(yùn)行嵌入

式操作系統(tǒng)，控制和管理各外部硬件模塊，以完成系統(tǒng)的各

個(gè)功能。CPU外設(shè)看門狗模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控，必要時(shí)重啟系

統(tǒng)，增加系統(tǒng)的抗干擾性。傳感器的智能化和微型化2)存儲(chǔ)模塊外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元通過外部總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的擴(kuò)

充。本系統(tǒng)選用SST

公司生產(chǎn)的SST39VF160存儲(chǔ)芯片，是一

個(gè)1M×16bit的CMOS

多功能FLASH(MPF)

器件，屬于NOR型

FLASH

。其工作電壓與LPC2214

相兼容，接口能直接掛到ARM的16位總線上。LPC2214

提供16KB

RAM。考慮到系統(tǒng)程序總?cè)萘考靶?/p>

要處理的數(shù)據(jù)量較大，可通過外部擴(kuò)展增加RAM的容量。本

系統(tǒng)選用的ISSI公司生產(chǎn)的IS61LV25616AL

芯片，是高速SRAM

器件，采樣CMOS技術(shù)，存儲(chǔ)容量為512KB,具有16位數(shù)據(jù)寬度。傳感器的智能化和微型化3)輸入模塊數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收由現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)得的信號(hào)，包括格

雷碼和4～20mA信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)傳給處理器。4)GPRS

模塊GPRS模塊完成GPRS的接入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。5)人機(jī)接口模塊人機(jī)接口包括LCD顯示模塊和按鍵接口，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互

功能。數(shù)據(jù)采集儀通過液晶顯示屏顯示其工作狀態(tài)，例如，

采集儀的網(wǎng)絡(luò)狀況、當(dāng)前的采集數(shù)據(jù)、電源狀況等。通過鍵

盤可以對(duì)采集儀的菜單進(jìn)行操作，例如設(shè)定數(shù)據(jù)采用間隔、

查詢站點(diǎn)號(hào)、設(shè)定時(shí)間等。傳感器的智能化和微型化6)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間。LPC2214芯片內(nèi)部帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，但當(dāng)芯片復(fù)位后實(shí)時(shí)

時(shí)鐘也同時(shí)復(fù)位，這樣無法滿足數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)實(shí)時(shí)性的要

求，故采用專用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，配備后備電源，使采集系統(tǒng)

關(guān)機(jī)后仍能準(zhǔn)確走時(shí)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用PHILIPS

公司生產(chǎn)的PCF8563,它是一種低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片，能提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出、一個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，地

址和數(shù)據(jù)通過IC

總線接口串行傳遞。傳感器的智能化和微型化7)電源管理模塊電源管理單元為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，在交流電供電切

斷時(shí)可切換到蓄電池供電模式。數(shù)據(jù)采集儀采用220V交流供電，需要具備在掉電的情

況下保持工作的能力，所以采集儀加上后備蓄電池供電。在

交流供電正常的情況下，采集儀由交流供電并維持蓄電池電

量，掉電時(shí)終端立即切換到蓄電池供電。數(shù)據(jù)采集儀電路需要5V

、4.2V

、3.3V

、1.8V等電壓，考慮到對(duì)蓄電池充電需

要較大的電流，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，將蓄電池管理部分置于采集

儀外部，內(nèi)部電路需要的多種電壓通過內(nèi)部穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)。傳感器的智能化和微型化2.智能電熔焊接機(jī)智能電熔焊接機(jī)是聚乙烯管道的電熔式焊接設(shè)備。聚乙

烯管道簡(jiǎn)稱PE管道，是以高密度或中密度聚乙烯為原料的一

種管材新產(chǎn)品，在城市供水及燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)領(lǐng)域中，用以替

代金屬管道。焊接過程中，智能電熔焊接機(jī)不斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊

接電壓與電流，當(dāng)超過允許范圍時(shí)，給出報(bào)警信號(hào)，并顯示

報(bào)警原因；還可通過對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量，補(bǔ)償熔焊時(shí)間，保

證焊接質(zhì)量不受環(huán)境溫度的影響。焊接結(jié)束后，蜂鳴提示，保存焊接數(shù)據(jù)。必要時(shí)，可打印焊接數(shù)據(jù)。上述功能由4個(gè)模

塊實(shí)現(xiàn)，即微處理器模塊、采樣模塊、輸出控制模塊和人機(jī)

接口模塊，如圖12-3所示。傳感器的智能化和微型化(人機(jī)接口模塊)鍵盤及顯示打印機(jī)光耦繼電器(輸出控制模塊)(微處理器模塊)看門狗X25045實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS12C887RAM6264提示及報(bào)警Cu電阻交流互感器測(cè)量變壓器圖12-3智能電熔焊接機(jī)系統(tǒng)框圖傳感器的智能化和微型化(采樣模塊)電橋及驅(qū)動(dòng)

A/D轉(zhuǎn)換1)微處理器模塊微處理器模塊管理和協(xié)調(diào)4個(gè)模塊的工作，保存工作數(shù)

據(jù)，設(shè)置和管理系統(tǒng)時(shí)鐘，越限報(bào)警和蜂鳴提示，采用硬件

看門狗電路來保證程序正常運(yùn)行。微處理器模塊通過時(shí)鐘芯片DS12C887

設(shè)定焊接日期、焊接時(shí)間、熔焊時(shí)間和冷卻時(shí)間等與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)，將每

一組焊接數(shù)據(jù)保存在RAM中，共可存儲(chǔ)250組焊接數(shù)據(jù)。儀

表在工作中保存工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)看門狗起作用時(shí)，可由保

存數(shù)據(jù)恢復(fù)運(yùn)行狀況。傳感器的智能化和微型化2)采樣模塊儀表進(jìn)行焊接工作時(shí)，需不斷采集3種數(shù)據(jù)：環(huán)境溫度、

焊接電壓、焊接電流，由采樣模塊完成這些數(shù)據(jù)的采集和

A/D轉(zhuǎn)換工作。選用Cu50

溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度，信號(hào)經(jīng)電橋及驅(qū)動(dòng)

電路送入A/D轉(zhuǎn)換器；選用變壓器測(cè)量焊接電壓，信號(hào)經(jīng)A/D

轉(zhuǎn)換模塊送入A/D

轉(zhuǎn)換器；選用電流互感器測(cè)量焊接電

流，信號(hào)經(jīng)A/D

轉(zhuǎn)換模塊送入A/D

轉(zhuǎn)換器。A/D

轉(zhuǎn)換器選用

TLC542C,

是8通道串行A/D。傳感器的智能化和微型化3)輸出控制模塊輸出控制模塊根據(jù)所測(cè)焊接電壓值控制各組繼電器，從

而控制不同的輸出變壓器工作，以保證輸出電壓穩(wěn)定。4)人機(jī)接口模塊人機(jī)接口模塊包括3部分：鍵盤、顯示、打印機(jī)。通過鍵

盤可設(shè)置焊接參數(shù)，查詢焊接數(shù)據(jù)，啟動(dòng)焊接，發(fā)生異常情

況時(shí)啟動(dòng)急停程序。所設(shè)置的參數(shù)、焊接數(shù)據(jù)、焊接進(jìn)程及

故障信息均可顯示在液晶顯示器上。若焊接數(shù)據(jù)需留硬拷貝，

可通過打印機(jī)實(shí)現(xiàn)。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化12.3微型傳感器微型傳感器(簡(jiǎn)稱微傳感器)的出現(xiàn)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的

一個(gè)必然結(jié)果。沒有相關(guān)技術(shù)的支持，就不可能實(shí)現(xiàn)傳感器

的微型化。其中，微機(jī)械電子系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展直接推動(dòng)了微

傳感器的產(chǎn)生和發(fā)展。專家們一致認(rèn)為，微傳感器是目前最

為成功、最具有實(shí)用性的微機(jī)械電子系統(tǒng)裝置，沒有微機(jī)械

電子系統(tǒng)技術(shù)，就沒有微傳感器。12.3.1

微型傳感器的概念、特點(diǎn)和分類1.微型傳感器的概念目前，微傳感器的應(yīng)用已取得相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但因其涉及

面很廣，所以到目前為止還沒有形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義，眾專

家各執(zhí)一詞。最簡(jiǎn)單的定義是至少有一個(gè)方向的尺寸是在亞

毫米級(jí)的傳感器就是微傳感器，顯然這種含義過于狹窄。綜

合各種文獻(xiàn)，微傳感器包括以下三個(gè)層面的含義：(1)就單一傳感器而言，微傳感器是指尺寸微小的傳感

器，如敏感元件的尺寸從毫米級(jí)到微米級(jí)，甚至達(dá)到納米級(jí)，

主要采用精密加工、微電子以及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感

器尺寸的縮小。傳感器的智能化和微型化(2)就集成的傳感器而言，微傳感器是指將微小的敏感

元件、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上而形成

的集成的傳感器。(3)就傳感器系統(tǒng)而言，微傳感器是指?jìng)鞲邢到y(tǒng)中不但

包括微傳感器，還包括微執(zhí)行器，可以獨(dú)立工作，甚至由多

個(gè)微傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者可實(shí)現(xiàn)異地聯(lián)網(wǎng)。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化2.微型傳感器的特點(diǎn)(1)體積小，重量輕。微傳感器的尺寸大多為毫米級(jí)，甚至更小。由于運(yùn)用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，微傳感器的敏感元件

尺寸大多在微米級(jí)，因此微傳感器的整體尺寸大大縮小。體

積的減小也使其重量減輕，微傳感器重量一般在幾克到幾十

克之間。例如，微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭

內(nèi)，送進(jìn)血管測(cè)量血液的流動(dòng)情況。(2)功耗低。微傳感器一般功耗都很低，工作電壓也比

較低。在很多利用電池供電的場(chǎng)合，微型傳感器既可節(jié)約能

源，又可提高系統(tǒng)壽命。(3)性能好。由于幾何尺寸的微型化，微傳感器的溫度

穩(wěn)定性提高，不易受外界溫度干擾，且元件共振頻率很高，

工作頻帶加寬，敏感區(qū)間變小，空間解析度提高。(4)易于批量生產(chǎn)，成本低。微傳感器的敏感元件利用

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)工藝制造，適合批量生產(chǎn)，使得傳感器單

件的成本大大降低。傳感器的智能化和微型化(5)便于集成化和多功能化。微傳感器充分發(fā)揮和利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使傳感器做到集成化和多功能化。既可以

將傳感器與放大電路、運(yùn)算電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在一

起，實(shí)現(xiàn)集成化；也可以將同一類的傳感器集成于同一芯片

上，構(gòu)成二維陣列式傳感器；還可將幾個(gè)傳感器集成在一起，

構(gòu)成一種新的傳感器。例如，為制作同時(shí)測(cè)量壓力和溫度的多功能傳感器，將應(yīng)變計(jì)、溫度敏感元件、處理電路等集成在同一硅片上，既

可以實(shí)現(xiàn)壓力和溫度的檢測(cè)，又可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；將檢測(cè)

幾種不同氣體的敏感元件用厚膜制造工藝制作在同一基片上，

可制成能檢測(cè)氧氣、氨氣、乙醇、乙烯四種氣體的多功能傳

感

器

。傳感器的智能化和微型化(6)提高傳感器智能化水平。運(yùn)用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，將微傳感器與信號(hào)調(diào)理電路、處理電路(甚至包含微處理器)、接口電路等封裝成一體，組成微傳感器系統(tǒng)，使其具有自補(bǔ)

償、自校準(zhǔn)、自診斷、數(shù)值處理、通信、信息存儲(chǔ)和數(shù)字量

輸出等功能，即提高了智能化水平。傳感器的智能化和微型化3.微型傳感器的分類按照被測(cè)量的物理性質(zhì)，可將微型傳感器分為化學(xué)微傳感器、生物微傳感器、物理微傳感器等。1)化學(xué)微傳感器化學(xué)傳感器指將各種化學(xué)物質(zhì)(電解質(zhì)、化合物、分子、

離子等)狀態(tài)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置，由接收器與換

能器組成。接收器是具有化學(xué)敏感層的分子識(shí)別結(jié)構(gòu)，換能

器是實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的裝置。化學(xué)傳感器包括氣體傳感器、濕

度傳感器以及離子敏感傳感器等。被測(cè)物質(zhì)經(jīng)接收器識(shí)別后，化學(xué)信號(hào)由換能器轉(zhuǎn)換為隨分析物特性變化的電信號(hào)，再由相應(yīng)儀表進(jìn)行信號(hào)再加工，

構(gòu)成分析裝置和分析系統(tǒng)。傳感器的智能化和微型化化學(xué)傳感器與其它傳感器最大的不同在于它們必須與被測(cè)化學(xué)物質(zhì)直接接觸，因此，化學(xué)傳感器在封裝時(shí)須留出“入口”,以便進(jìn)行交互作用?；瘜W(xué)微傳感器是指運(yùn)用電子技術(shù)及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制成

的化學(xué)傳感器，有微型氣體傳感器、濕度傳感器以及離子敏

感傳感器等。目前，化學(xué)量的檢測(cè)與控制在科研、生產(chǎn)、環(huán)保及日常

生活中的應(yīng)用越來越廣泛。傳感器的智能化和微型化2)生物微傳感器生物傳感器是指用生物成分(酶、抗原、抗體、激素)或生物本身(細(xì)胞、細(xì)胞器、組織)作為敏感材料所組成的傳感

器。也可認(rèn)為它是一類特殊的化學(xué)傳感器，它與一般化學(xué)傳

感器的不同之處在于它的接收器是由酶、微生物、免疫體、復(fù)合蛋白質(zhì)或動(dòng)植物細(xì)胞制成的膜，通常把這些物質(zhì)固化在

高分子、陶瓷、半導(dǎo)體、金屬電極、壓電體等固態(tài)基體上。生物活性物質(zhì)固定化膜技術(shù)是研制生物傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。生物傳感器按敏感材料的不同分為酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅鳌?/p>

組織傳感器、免疫傳感器、受體傳感器、細(xì)菌傳感器、細(xì)胞

傳感器和基因傳感器等；按信號(hào)轉(zhuǎn)換器的不同分為電化學(xué)生

物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型

生物傳感器和測(cè)聲型生物傳感器等。傳感器的智能化和微型化微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)以及納米技術(shù)在生物傳感器上的應(yīng)用，使生物傳感器不斷向微型化、集成化、自動(dòng)化和智能化方向

發(fā)展。例如，在酶?jìng)鞲衅髦?，尖端直徑達(dá)1μm

以下的微酶電

極已在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用。3)物理微傳感器物理傳感器是指將被測(cè)對(duì)象的各種物理特性變化轉(zhuǎn)換為

電信號(hào)輸出的裝置。物理傳感器種類繁多，如聲學(xué)量傳感器、

電學(xué)量傳感器、磁學(xué)量傳感器、光學(xué)量傳感器、力學(xué)量傳感

器和射線傳感器等。利用微機(jī)電技術(shù)制成的各種物理傳感器

即是物理微傳感器。傳感器的智能化和微型化12.3.2典型微型傳感器介紹1.離子傳感器(化學(xué)型)離子傳感器是將溶液中的離子活度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。其基本原理是利用固定在敏感膜上的離子識(shí)別材料有選

擇性地結(jié)合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電壓的改變，

達(dá)到檢測(cè)目的。離子傳感器廣泛用在化學(xué)、醫(yī)藥、食品以及

生物工程等領(lǐng)域中。傳統(tǒng)方法采用離子選擇電極(ISE)進(jìn)行測(cè)量。離子選擇電極是一種膜電極，多為玻璃電極，輸出阻抗很高，約10?Ω,

需要高輸入阻抗的離子計(jì)與之匹配，在使用中很不方便。目前，通過半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)制成了離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶

體管(ISFET);通過微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，制成了尖端

達(dá)微米級(jí)的離子選擇性微電極以及被測(cè)樣品用量?jī)H需微升級(jí)

的離子微傳感器。傳感器的智能化和微型化1)ISFET

的工作原理ISFET用對(duì)離子有選擇性響應(yīng)的敏感膜替換普通的MOSFET的金屬鋁柵，當(dāng)敏感膜直接接觸被測(cè)離子溶液時(shí)，與離子相互作用，調(diào)制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極電流和源極電流，

以檢測(cè)溶液中離子的活度。(1)ISFET

的結(jié)構(gòu)。ISFET的基本結(jié)構(gòu)如圖12-4所示，沒有金屬柵極，柵介質(zhì)裸露或在其上涂敷對(duì)離子敏感的敏感膜，與參比電極以及

待測(cè)溶液一起起著柵電極的作用。傳感器的智能化和微型化二氧化硅P漏

源圖12-4

ISFET的結(jié)構(gòu)示意圖傳感器的智能化和微型化參電極封裝材料柵絕緣體(SiO?)鋁膜參比電極上所加的電壓(包括溶液與敏感膜之間的能斯特電位)通過待測(cè)溶液加到絕緣柵上，使半導(dǎo)體表面反型，形成導(dǎo)電溝道。如果參比電極上施加的電壓正好使半導(dǎo)體表

面反型，這時(shí)參比電極上的電壓稱為閾值電壓。對(duì)于特定結(jié)

構(gòu)的ISFET,閾值電壓的變化只由電解液與柵介質(zhì)界面處的

化學(xué)勢(shì)決定，而化學(xué)勢(shì)的大小取決于敏感膜的性質(zhì)和電解液

中的離子活度。因此，通過ISFET閾值電壓的變化能夠測(cè)量

電解液中離子的活度。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化(2)ISFET性能參數(shù)。ISFET的性能參數(shù)主要有靈敏度、選擇系數(shù)及響應(yīng)時(shí)間。①靈敏度：待測(cè)離子活度增大為原來的10倍時(shí)，其界面

電位的改變量稱為ISFET

的靈敏度，用S表示。②選擇系數(shù)：選擇系數(shù)指在相同的條件下，引起相同界

面電位的待測(cè)離子活度和干擾離子活度之比，用K:;表示。在

待測(cè)溶液中，通常有好幾種離子，除待測(cè)離子外，其它離子

稱為干擾離子。K愈小，說明ISFET的選擇性愈好，對(duì)待測(cè)離子的靈敏

度愈高。③響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間可分為電學(xué)響應(yīng)時(shí)間和化學(xué)響應(yīng)時(shí)間。在一定的離子活度下，固定UDs,

從ISFET

與待測(cè)溶

液接觸進(jìn)行測(cè)量開始到Is

達(dá)到穩(wěn)定值的95%所需的時(shí)間稱

為電學(xué)響應(yīng)時(shí)間。在一定的偏置電壓下，改變待測(cè)離子的

活度，Is

達(dá)到穩(wěn)定值的95%所需的時(shí)間稱為化學(xué)響應(yīng)時(shí)間。ISFET的響應(yīng)時(shí)間一般在1min之內(nèi)，性能好的在20s左

右。ISFET的響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的玻璃電極快數(shù)倍。影響響應(yīng)

時(shí)間的因素有溫度、光照及攪拌等。傳感器的智能化和微型化2)離子敏感膜離子敏感膜是ISFET的重要部分，是響應(yīng)不同離子并將

其化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的關(guān)鍵。不同的柵介質(zhì)和敏感膜可以

派生出多種ISFET。(1)無機(jī)絕緣膜。無機(jī)絕緣材料如SiO?

、SiN?

、Al?O?

和Ta?O?等在ISFET中

可以起到柵介質(zhì)和離子敏感膜的雙重作用。傳感器的智能化和微型化(2)固態(tài)敏感膜。將作為敏感材料的單晶體、多晶體固定在MOSFET柵上，或?qū)⒛撤N難溶電解質(zhì)鹽分散在經(jīng)適當(dāng)稀釋的氯仿硅橡膠基體

(或聚氟化偶磷氮的合成橡膠基體)中，通過蒸鍍、化學(xué)氣相

淀積或?yàn)R射等方式固定到ISFET的柵絕緣層表面，就制成了

對(duì)特定離子響應(yīng)的固態(tài)膜ISFET。(3)有機(jī)高分子PVC膜。有機(jī)高分子PVC膜易于制作，且可以開發(fā)出多種ISFET

。

制作時(shí)，首先將離子活性物質(zhì)、增塑劑分散到聚氯乙烯(PVC)基質(zhì)中，與一定量的四氫呋喃或環(huán)已酮溶劑均勻混合而制成透明溶液，然后滴加到柵極上，室溫防塵放置24h以

上。待溶劑揮發(fā)后，就在絕緣柵上形成一層有彈性的PVC膜。傳感器的智能化和微型化2.基因傳感器(生物型)基因傳感器通過固定在感受器表面上的已知核苷酸序列

的單鏈脫氧核糖核酸

(Deoxyribo

Nucleic

Acid,DNA)分子

(也稱為ssDNA探針),和另一條互補(bǔ)的ssDNA

分子(也稱為目

標(biāo)DNA或靶DNA)雜交，形成雙鏈DNA(dsDNA),

換能器將雜

交過程中或結(jié)果所產(chǎn)生的變化轉(zhuǎn)換成電、光、聲等物理信號(hào)，

通過解析這些響應(yīng)信號(hào)，給出相關(guān)基因的信息?；騻鞲衅?/p>

也稱為DNA

傳感器。傳感器的智能化和微型化1)基因與基因診斷1953年，Watson

和Crick

根據(jù)Franklin和Wilkins拍攝的

DNA

X射線照片，發(fā)現(xiàn)了生物遺傳分子脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，建立了生物遺傳基因的分子機(jī)理。基因診斷是通過直接探查基因的存在狀態(tài)或缺陷對(duì)疾病做出診斷的方法?；蛟\斷的檢測(cè)目標(biāo)是DNA或RNA(核糖核酸)。前者反映基因的存在形態(tài)，而后者反映

基因的表達(dá)狀態(tài)。傳感器的智能化和微型化傳統(tǒng)的診斷方法是先發(fā)現(xiàn)疾病的表型，再把基因產(chǎn)物即蛋白質(zhì)或其抗體氨基酸序列弄清楚，運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)分

離該基因，并通過測(cè)序確定突變部位，這適用于已知突變與

疾病關(guān)系的情況。對(duì)于生物特征不明的疾病，用此方法顯然

不行?；蛟\斷又稱為逆向遺傳學(xué)，先找出基因變異，再分

析基因產(chǎn)物，最終探明生理作用的臨床機(jī)制，因此基因診斷

往往在疾病出現(xiàn)之前就可以完成，在診斷時(shí)間上具有顯著的

優(yōu)越性，有利于及時(shí)治療。傳感器的智能化和微型化2)基因傳感器的基本結(jié)構(gòu)和類型基因傳感器為核酸雜交快速檢測(cè)提供了一個(gè)新途徑，是

以雜交過程的高特異性為基礎(chǔ)的快速傳感技術(shù)。每個(gè)種屬生

物體內(nèi)都含有其獨(dú)特的核酸序列，核酸檢測(cè)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一段寡核苷酸探針。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化(1)基本結(jié)構(gòu)?；騻鞲衅鞯腄NA探針一般是有10～30個(gè)核苷酸的單鏈

核酸分子，能夠?qū)Ｒ坏嘏c特定靶序列進(jìn)行雜交，從而檢出特

定的目標(biāo)核酸分子?；騻鞲衅髦行盘?hào)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是：雜交反應(yīng)在其表面上

直接完成，并且換能器能將雜交過程中所產(chǎn)生的變化轉(zhuǎn)換成

可識(shí)別的信號(hào)，然后根據(jù)雜交前后響應(yīng)信號(hào)的變化量，推斷

出目標(biāo)DNA

的量。由于感受器和換能器的種類不同，因此可

以構(gòu)成基因傳感器的類型也不同。(2)類型?；騻鞲衅鞲鶕?jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為DNA生物傳感

器(包括核內(nèi)DNA

、核外DNA

、外源DNA等)和RNA生物傳

感器(包括mRNA

、rRNA

、

外源RNA等)兩大類；根據(jù)轉(zhuǎn)換

器種類可分為電化學(xué)型、光學(xué)型、質(zhì)量型DNA傳感器等。這里主要介紹與微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)有關(guān)的壓電晶體DNA

傳感器。傳感器的智能化和微型化傳感器的智能化和微型化3)壓電晶體DNA傳感器壓電晶體DNA傳感器以石英晶體諧振器為換能器，在石英晶體電極區(qū)的表面固定ssDNA探針，然后浸入含有目標(biāo)DNA分子的溶液中，在溶液中電極表面的ssDNA探針與互補(bǔ)序列的目標(biāo)ssDNA分子雜交，形成dsDNA,引起石英晶體諧振器的振蕩頻率發(fā)生變化。振蕩頻率隨電極表面上的質(zhì)量的

增加而降低，靈敏度可達(dá)到亞納克級(jí)，通過檢測(cè)頻率的變化

可測(cè)定靶核酸量。壓電晶體DNA傳感器的原理如圖12-5所示。ssDNA0活化電極石英晶體

電極西安電子科技大學(xué)出版社西安電子西安電子西安電子測(cè)量西安電子圖12-5壓電晶體DNA

傳感器的原理靶DNA傳感器的智能化和微型化壓電晶體DNA傳感器的制備方法有以下幾種。(1)LA

膜法。LA

膜法得到的核酸修飾電極，表面結(jié)構(gòu)高

度有序，穩(wěn)定性好，有利于雜交，但對(duì)巰基化合物修飾的DNA的純度要求較高，分離提純操作較繁瑣。(2)LB

膜法。LB膜在壓電DNA傳感器中可以直接固定受

體膜，也可以用做其它物質(zhì)固定的中間層。通過LB

膜拉膜設(shè)

備，可在潔凈的電極表面得到LB膜。(3)親和素-生物素間接偶聯(lián)法。結(jié)合親和素與生物素獨(dú)

特的相互作用，可制成有序排列層狀結(jié)構(gòu)的敏感膜。由于核

酸很容易與生物素結(jié)合且活性并不降低，因此通過親和

素-

生物素的

特異性結(jié)合，能有效地設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)單元來賦予

膜特定的功能，且制備過程可分步進(jìn)行。壓電晶體DNA傳感器以操作簡(jiǎn)便快速、成本低、體積小、易于攜帶等特點(diǎn)，在分子生物學(xué)研究、疾病診斷和治療、新

藥開發(fā)、司法鑒定等領(lǐng)域具有很大潛力。具體地說，壓電晶

體DNA傳感器有以下幾方面的特點(diǎn)：(1)液相雜交檢測(cè)。常規(guī)的核酸檢測(cè)方法主要是通過固

相雜交，壓電晶體DNA傳感器可以直接在液相反應(yīng)，并通過

頻率信號(hào)的變化，對(duì)靶物質(zhì)的DNA

進(jìn)行定量測(cè)定。傳感器的智能化和微型化(2)靈敏度高。壓電晶體DNA傳感器是一種高靈敏度裝

置，靈敏度可以達(dá)到納克量級(jí)，甚至可以達(dá)到皮克量級(jí)，并且可以對(duì)靶物質(zhì)直接檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低拷貝核酸的檢測(cè)。(3)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。壓電晶體DNA傳感器的不足之處是響

應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，大部分在幾十分鐘到一小時(shí)以上，不利于大

批量樣品測(cè)定。傳感器的智能化和微型化3.聲表面波傳感器(物理型)聲表面波(Surface

Acoustic

Wave,SAW)傳感器是利用聲表面波技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，將各種非電量信息，如

壓力、溫度、流量、磁場(chǎng)強(qiáng)度、加速度、角速度等的變化

轉(zhuǎn)換為聲表面波振蕩器振蕩頻率的變化的裝置。SAW

傳感

器之所以能夠迅速發(fā)展并得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂?/p>

許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。傳感器的智能化和微型化1)聲表面波的主要性質(zhì)(1)SAW的反射及模式轉(zhuǎn)換。在SAW傳播的表面上常會(huì)出現(xiàn)聲阻抗不連續(xù)的情況。例如，壓電晶體表面蒸上金屬指條，金屬化區(qū)域由于電場(chǎng)

短路而使其聲速比自由表面區(qū)域小；或者因金屬條有質(zhì)量

加載而使聲抗不連續(xù)等。SAW

與一般波動(dòng)一樣，當(dāng)遇到阻

抗不連續(xù)時(shí)，入