第8章 薄膜传感器
薄膜传感器ppt课件
Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University
Principles and Applications of Novel
SENS R
一、金属薄膜热电阻
技术背景：
80年代以来，薄膜技术不断成熟，薄膜热电阻 随之发展起来。 德、日和美相继建成规模化生产线，我国研究 机构（如上冶所）在薄膜热电阻的工艺研究上 取得了突破性进展，并不断有产品投入市场。 目前，阻值已扩大到2000Ω，元件尺寸已缩小 到1.6ｍｍ×1.25ｍｍ×1.1ｍｍ。 结构上有带线平面型、无引线的SMD型和外伸 导线型等。高温薄膜热电阻的温度范围提高到 850℃甚至1100℃，低温工作温度-55℃。
B L 2 Wk 0 m h K 晶格杂质散射项，负的温度系数 B 2 L q 2mh KC 2 晶界电阻项 q LNA q —— 电子电荷数 k0 —— 玻尔兹曼常数 P(0) —— 晶粒中性区空穴浓度 μP —— 空穴迁移率 （与晶格的振动散射和电离杂质散射有关） A、B —— 与温度无关的常数 mh—— 空穴的有效质量
Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University
新型传感器原理及应用
Principles and Applications of Novel Sensors
数值上，半导体电阻的相对变化（ dR/R ）值的大 小主要由电阻率变化（dρ/ρ）决定：
Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University
新型传感器原理及应用
薄膜传感器的原理
薄膜传感器的原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊薄膜传感器的原理，这可真是个神奇又有趣的玩意儿啊！你想想看，薄膜传感器就像是一个超级敏锐的小侦探，时刻准备着捕捉各种细微的变化。
它的工作原理呢，其实就好比是我们的眼睛和耳朵，能察觉到那些我们可能忽略的小细节。
薄膜传感器是由一层薄薄的材料制成的，这层材料可不得了，它就像是有魔法一样，能够对周围的环境变化做出反应。
比如说温度啦、压力啦、湿度啦等等。
就好像我们人对冷了热了有感觉，它也能敏锐地察觉到这些变化呢！它的工作过程呢，就像是一个精确的舞者，每一个动作都恰到好处。
当外界的刺激来临，比如压力施加在它上面，这层薄膜就会像弹簧一样产生微小的变形。
嘿，这一变形可就不得了啦，它就会发出信号，告诉我们这里有情况啦！是不是很神奇？再打个比方，薄膜传感器就像是一个超级敏感的含羞草，稍微一碰它，它就会有反应。
只不过它的反应不是收缩，而是通过电信号之类的方式告诉我们发生了什么。
你说这小小的薄膜传感器，怎么就能这么厉害呢？它就像是隐藏在各种设备里的小秘密武器，默默地为我们服务着。
比如在我们的手机里、汽车里、家里的各种电器里，都有它的身影呢！它能让我们的手机屏幕对我们的触摸做出精准的反应，能让汽车知道轮胎的压力是不是正常，还能让家里的温度控制器准确地调节温度。
哇塞，这可真是太重要啦！要是没有它，我们的生活得变得多不方便呀！而且啊，薄膜传感器的种类还特别多呢！有测这个的，有测那个的，就像一个庞大的家族，每个成员都有自己独特的本领。
有的专门对付压力，有的擅长检测温度，还有的对湿度特别敏感。
它们就像是一群各有所长的小伙伴，一起为我们的生活保驾护航。
想想看，要是没有这些小小的薄膜传感器，我们的生活该少了多少乐趣和便利呀！它们就像是那些默默付出的幕后英雄，不张扬，但却无比重要。
所以说呀，薄膜传感器可真是个了不起的东西！它虽然小小的，却有着大大的能量。
它让我们的生活变得更加智能、更加舒适。
我们真应该好好珍惜和利用它，让它为我们创造更多的美好呢！这就是薄膜传感器的原理，是不是很有意思呀？。
薄膜传感器
专利名称：薄膜传感器
专利类型：实用新型专利
发明人：万蔡辛,俞江彬
申请号：CN202121479386.0申请日：20210701
公开号：CN215726504U
公开日：
20220201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种薄膜传感器，包括基板；位于基板之上的壳体，所述壳体与所述基板之间形成空腔，所述壳体包括将所述空腔与外部连通的连通孔；芯片，位于所述基板之上，且位于所述空腔中；疏水膜，所述疏水膜包覆在所述基板和所述芯片的外表面；以及凝胶，所述凝胶填充于所述空腔中，所述凝胶的上表面高于所述芯片的上表面。
本发明提供的薄膜传感器，具有较好的防潮、防尘能力。
申请人：上海韦尔半导体股份有限公司
地址：201203 上海市浦东新区中国(上海)自由贸易试验区龙东大道3000号1幢C楼7层
国籍：CN
代理机构：北京成创同维知识产权代理有限公司
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《传感器与检测技术(第2版)》参考答案第8章 热电式传感器
第8章热电式传感器
三、填空题
四、简答题
1、答：①两种不同材料的导体（或半导体）A、B两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。
当两接点温度不等时，回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应。
该电动势称为热电动势。
②接触电动势：接触电势是由两种导体的自由电子密度不同而在其接触处形成的热电势。
它的大小取决于两导体的材料及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。
③温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势。
知识点：热电偶
2、答：中间导体定律：热电偶测温时，若在回路中接入第三种导体，只要其两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势不产生影响。
中间导体定律的意义在于：在实际的热电偶测温应用中，测量仪表和连接导线可以作为第三种导体对待。
知识点：热电偶
3、答：标准电极定律：如果两种导体A，B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A，B组成的热电偶产生的热电动势可由下式确定：
E AB（t，t0）=E AC（t，t0）- E BC（t，t0）
标准电极定律的意义在于，纯金属的种类很多，合金的种类更多，要得出这些金属件组。
薄膜压力传感器原理
薄膜压力传感器原理嘿，你有没有想过，那些小小的传感器是怎么感知压力的呢？今天我就来给你讲讲薄膜压力传感器这个神奇的东西。
我有个朋友叫小李，他就在一家科技公司工作，整天捣鼓这些高科技玩意儿。
有一次我去他公司参观，看到那些小巧精致的薄膜压力传感器，我就特别好奇。
我就问他：“这小玩意到底是怎么知道有压力作用在它上面的呢？”小李笑着跟我说：“这可就大有学问了。
”薄膜压力传感器啊，它的核心原理就像我们的皮肤感知外界压力一样。
你看，我们的皮肤很敏感，当有东西轻轻触碰或者按压的时候，我们就能感觉到。
薄膜压力传感器也是类似的道理。
它有一个很薄的薄膜，这个薄膜就像是传感器的“皮肤”。
当有压力施加在这个薄膜上的时候，就会引起薄膜的一些变化。
这个薄膜下面通常有一些特殊的材料或者结构。
比如说，有一种是压阻式的薄膜压力传感器。
这就好比在薄膜下面藏着一群特别敏感的小士兵。
这些小士兵就是压阻材料。
正常情况下，它们有自己的电学特性。
可是一旦有压力作用在薄膜上，薄膜就会把这个压力传递给下面的压阻材料。
这时候，就像小士兵受到了冲击一样，压阻材料的电阻值就会发生改变。
就像一条原本顺畅的道路，突然有了一些障碍，电流通过的时候就不那么顺畅了。
这种电阻值的变化就可以被检测到，然后通过一些电路转换，就能够知道施加的压力是多少了。
还有一种电容式的薄膜压力传感器呢。
这就更有趣了。
想象一下，薄膜和下面的电极就像是两片很薄的面包片，中间夹着的空气或者其他电介质就像是中间的果酱。
当没有压力的时候，这个“三明治”结构有一个固定的电容值。
这就好比这个“三明治”的厚度、成分都是固定的，它的电容特性也是固定的。
但是当有压力施加在薄膜上的时候，薄膜就会向电极靠近，就像有人轻轻挤压这个“三明治”一样。
这时候，中间的电介质层就会变薄，电容值就会发生变化。
这个变化就像是一个信号，告诉我们有压力存在了。
这是不是很神奇呢？我当时就对小李说：“哇，这就像一个微观世界里的小魔法啊。
薄膜温度传感器的研制及应用
薄膜温度传感器的研制及应用摘要：本文重点介绍了薄膜温度传感器的研制及其应用。
首先概述了薄膜温度传感器的特性，然后就薄膜温度传感器研制方法分析了材料选择、测量原理、外形设计等，并讨论了性能和适用范围。
最后，重点介绍了薄膜温度传感器的应用，如飞机发动机的内部温度监控和工业自动控制等。
关键词：薄膜温度传感器；研制；应用正文：1. 介绍薄膜温度传感器是一种新型的温度检测器，它使用了薄膜材料作为基础温度传感器。
薄膜温度传感器具有结构紧凑、体积小、重量轻、信号传输快等优点，在温度检测中有重要的应用。
2. 研制方法2.1 材料选择一般情况下，薄膜材料的热敏元件是采用传统的绝缘型有机热敏材料，如高分子材料或金属热敏材料等，具有低成本、高精度和良好的耐热性。
2.2 测量原理薄膜温度传感器使用热敏元件对周围温度变化作出反应，从而实现温度检测。
一般采用热敏电阻原理，即根据不同温度下热敏元件内部电阻的变化，产生可测量的响应信号，并通过仪表显示温度大小。
2.3 外形设计薄膜温度传感器的外形设计首先考虑到空间的利用率和测量精度，确定热敏元件布局和外形。
一般而言，薄膜温度传感器外形设计要求具有良好的热性能，极大地缩短测量时间。
3. 性能和适用范围薄膜温度传感器具有低成本、高精度、良好的耐热性和热响应时间快等优点，广泛应用于温度检测领域。
薄膜温度传感器的测量范围一般介于-40℃到1000℃之间，对热电偶的精度要求为±3℃，对高精度应用精度要求高达± 0.2℃。
4. 应用薄膜温度传感器可广泛应用于各种温度检测、监测和自动控制领域。
例如，可用于飞机发动机的内部温度监控，在冶金行业中可有效控制各种元素的温度变化，在工业自动控制中可根据温度变化自动调节机械装置的运行，在医学研究中可用于生物样本的温度检测等。
应用薄膜温度传感器可以获得准确的温度测量结果，为行业的发展提供重要的支持。
首先，薄膜温度传感器在飞机发动机的内部温度监控中发挥着重要作用。
自然科学基金高温薄膜传感器
自然科学基金高温薄膜传感器全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：自然科学基金高温薄膜传感器引言自然科学基金高温薄膜传感器是一种应用于高温环境下的传感器，可以用于监测和测量各种高温环境中的参数。
在工业生产、能源开发和环境监测等领域，高温薄膜传感器发挥着重要作用。
本文将介绍自然科学基金高温薄膜传感器的原理、应用和发展趋势。
一、高温薄膜传感器的原理自然科学基金高温薄膜传感器是一种基于薄膜材料的传感器，通过薄膜在高温环境中的电阻、电容、热敏特性等物理性能的变化来感知并测量环境参数。
薄膜材料的选择对传感器的性能和稳定性具有重要影响。
高温薄膜传感器一般采用耐高温、耐腐蚀的材料，如氧化铝、氧化硅等。
二、高温薄膜传感器的应用1. 工业生产领域：高温薄膜传感器可以用于监测和控制工业炉、炉窑等设备的温度、压力和气体成分，确保生产过程的稳定和安全。
2. 能源开发领域：高温薄膜传感器可以用于监测和测量燃烧系统、发动机等设备的燃烧效率、排放物等参数，提高能源利用率和降低污染排放。
3. 环境监测领域：高温薄膜传感器可以用于监测高温环境中的气体、液体、固体的成分、浓度等参数，用于环境监测和控制。
三、高温薄膜传感器的发展趋势1. 多功能集成：未来的高温薄膜传感器将具备多种功能集成，能够同时监测多种参数，提高传感器的综合性能和应用范围。
2. 网络化智能：未来的高温薄膜传感器将具备网络化智能，能够实现远程监测、控制和数据传输，实现智能化的生产和管理。
3. 先进材料应用：未来的高温薄膜传感器将采用更多先进材料，如二维材料、纳米材料等，提高传感器的响应速度、稳定性和精度。
第二篇示例：自然科学基金高温薄膜传感器研究近年来，随着工业化进程的不断加快和科学技术的不断发展，高温环境下的传感技术需求日益增多。
高温环境下的传感器在工业生产中具有重要的作用，能够实时监测和控制生产过程中的温度、压力、流速等参数，为生产安全和效率提供重要依据。
在高温环境下，传统的传感器往往难以稳定工作，因此研究开发高温薄膜传感器成为当今科学研究的热点之一。
传感器名词解释
传感器：广义传感器是一种能把特定的信息物理、化学、生物按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置;狭义能把外界非电信息转换成电信号输出的器件;国家标准能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成;静态特性重要指标：线性度、迟滞、重复性、精度、灵敏度、阈值、分辨力和漂移;线性度：通常,测出的输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合的程度,重复性：重复性表示传感器在同一工作条件下,被测输入量按同一方向做全程连续多次重复测量时,所得输出值所得校准曲线的一致程度;迟滞表明传感器在正输入量增大、反输入量减小行程期间,输出-输入曲线不重合的程度;精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标;灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比,用k来表示;阈值：当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加时,只有在达到了某一最小值后才测得出输出变化,这个最小值就称为传感器的阈值;分辨力是指当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时,只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化,这个输入增量称为传感器的分辨力;漂移量的大小是表征传感器稳定性的重要性能指标;热释电效应:当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷,这种由于热变化而产生的电极化现象,称为热释电效应灵敏系数k：灵敏系数k是应变片的重要参数;k值误差的大小也是衡量应变片质量的重要标志;机械滞后Z j：对于已安装在试件表面的应变片,在温度恒定时,增加或减少机械应变过程中,在同一机械应变量的作用下指示应变的差数,称为应变片的机械滞后零点漂移P：对于已安装的应变片,在温度恒定和试件不受应力作用的条件下,指示应变随时间的变化数值通常简称为零漂;蠕变θ：对于已安装的应变片,在承受恒定的真实应变情况下,温度恒定时指示应变随时间的变化数值称为蠕变;应变极限εlim：对于已安装的应变片,在温度恒定时,指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值时的真实应变值称为应变极限霍尔效应：半导体薄片,若在它的两端通以控制电流I,在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势U H霍尔电势或称霍尔电压;这种现象就称为霍尔效应;磁阻效应：将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而变化;这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应;形状效应：这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象,叫形状效应;压电效应：某些电介质物体在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之形变时,内部会产生极化现象;同时,在表面上就会产生电荷,当外力去掉后,它们又重新回到不带电的状态,这种现象就称为压电效应;顺压电效应：有时候,人们又把这种机械能转化为电能的现象称为顺压电效应;逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场,它就会产生机械形变当去掉外加电场后,电介质的变形随之消失,这种将电能转换为机械能的现象称为逆压电效应;石英是晶体中性能良好的一种压电材料;在结晶学中,将石英晶体的结构用三根互相垂直的轴来表示,其中纵向轴Z称为光轴,经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴,与X轴和Z轴同时垂直的Y轴垂直于棱面称为机械轴;这种沿X轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“纵向压电效应”;这种沿Y轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“横向压电效应”;沿光轴方向施加力,石英晶体不会产生压电效应;极化处理,就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场如20～30kV／cm直流电场,经过2～3h以后,压电陶瓷就具备压电性能了;光电效应：是指通过光子物质中的电子相互作用,能直接得到电信号的一种效应;热电效应：是指光被物质吸收,变成热量后,利用热电转换得到电信号的一种效应波动相互作用效应：是指光作为一种电磁波,直接与物质相互作用,从而感应出电信号的一种效应;绪论1.传感器：广义传感器是一种能把特定的信息物理、化学、生物按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置;狭义能把外界非电信息转换成电信号输出的器件;国家标准能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成;第一章传感器的特性1. 传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成;敏感元件感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量;基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作理;2.静态特性重要指标：线性度、迟滞、重复性、精度、灵敏度、阈值、分辨力和漂移;线性度：通常,测出的输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合的程度,;重复性：重复性表示传感器在同一工作条件下,被测输入量按同一方向做全程连续多次重复测量时,所得输出值所得校准曲线的一致程度;迟滞表明传感器在正输入量增大、反输入量减小行程期间,输出-输入曲线不重合的程度;精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标;灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比,用k来表示;阈值：当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加时,只有在达到了某一最小值后才测得出输出变化,这个最小值就称为传感器的阈值;分辨力是指当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时,只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化,这个输入增量称为传感器的分辨力;漂移量的大小是表征传感器稳定性的重要性能指标;3.在研究动态特性时,通常根据正弦变化和阶跃变化两种标准输入来考察传感器的响应特性;4.通常用下述四个指标来表示传感器的动态性能：①时间常数T②上升时间t r③响应时间t5、t2④超调量σ频域常有如下指标：①通频带ωb ②工作频带ωg1或ωg2 ③相位误差第二章热电传感器1.两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起,组成一个闭合回路,当两接点温度不等T ＞T 0时,回路中就会产生电动势,从而形成热电流;这一现象称为热电效应;回路中产生的电动势称为热电势; 2.热电偶回路中,所产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势; 3. 热电偶冷端温度误差及其补偿：0 ℃恒温法,冷端恒温法,冷端补偿器法,补偿导线法,采用不需要冷端补偿的热电偶,补正系数修正法4. 通常采用的金属感温或称测温电阻有铂、铜和镍;由于铂具有很好的稳定性和测量精度,故人们主要把它用于高精度的温度测量和标准测温装置;5.测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法;6.半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型,即负电阻温度系数热敏电阻NTC 、正电阻温度系数热敏电阻PTC 和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻CTR;在温度测量中,则主要采用NTC,其温度特性：其中 7.使用热敏电阻时,也要注意到自热效应问题,但是,必须特别注意的有如下两点;1 热敏电阻温度特性的非线性常用的线性化方法如下1线性化网络2利用电子装置中其它部件的特性进行综合修正3 计算修正法;2 热敏电阻器特性的稳定性和老化问题8.砷化镓温敏二极管磁灵敏度低,因此常常用于强磁场下的低温测量;硅温敏二极管的磁灵敏度虽比砷化镓温敏二极管高,但由于它的工艺成熟,成本低,且在低温下有较高的灵敏度,因此,是目前产量和用量最大的一种温敏二极管;)]11(ex p[00T T B R R t -=2200)]}1()11({ex p[11T B TB T T B R R dT dR R a t t t -=-⋅-⋅=⋅=9.温敏二极管的基本特性：1 U F-T 关系2 灵敏度特性3 自热特性10.一种简易温度调节器,用于液氮气流式恒温器中77～300 K 范围的温度调节控制; VT 是温度检测元件,采有锗温敏二极管;调节Rw1,可使流过VT 的电流保持在50μA 左右;比较器采用集成运算放大器μA741,其输入电压为U r 和U x;U r 为参考电压,由R w2调整给定;所要设定的温度也由U r 给定;U x 随温敏二极管的温度变化而变化,而比较器的输出按差分电压的变化而变化,并驱动由晶体管构成的电流控制器,控制加热器加热;该温度调节器在30 min 内,控温精度约± ℃;11.-50~150℃12.对管差分电路原理图 13电压输出型：1. 1 性能特点 系列是一种精密的、易于定标的三端电压输出型集成电路温度传感器;如果在25 ℃下定标,在100 ℃宽的温度范围内误差小于1 ℃,具有良好的输出线性;2 典型应用1 基本温度检测2 可定标的传感器3 空气流速检测14. 电流输出型典型代表是AD590, 有如下特点：① 线性电流输出： 1 μA ／K ② 工作温度范围： -55～155 ℃③ 两端器件：电压输入,电流输出④ 激光微调使定标精度达± ℃AD590M ⑤ 整个工作温度范围内非线性误差小于±℃AD590M ⑥ 工作电压范围：4～30 V ⑦ 器件本身与外壳绝缘;15.热释电效应:当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷,这种由于热变化而产生的电极化现象,称为热释电效应16.能产生热释电效应的晶体称为热释电体,又称为热电元件;热电元件常用的材I c1料有单晶如铌酸锂、钽酸锂LiTaO3等、热释电陶瓷如钛酸钡BaTiO3及热释电塑料如聚偏二氟乙烯PVDF等模块的内部电路结构;平时,1端输出低电平,2端输出高电平;当有移动发热体进入监视范围时,热释电红外传感器接收到红外能量,并输出检测信号;该信号经放大器放大,由比较器进行比较判断,再由信号处理电路处理后输出控制信号;此时,输出端1变为高电平,输出端2变为低电平;在模块的外部,可接增益调节电位器,以调节放大器的增益;放大器具有温度补偿功能,其主要作用是当环境温度增高或背景红外辐射能量增加时,可使放大器的增益随着它们的增高而自动提升,从而保证整个电路工作的稳定性;18.HN911模块的典型应用电路如图所示;无被测物体时, HN911的1端输出低电平,V2截止,报警指示灯H不亮,2端输出高电平使继电器K工作；当检测到人体移动信号时, V2导通,指示灯H亮,同时V1截止,继电器K停止工作;可利用继电器触点的通断进行需要的控制;19.现给出一个HN911在自动门控制系统中应用的实例;自动门控制原理电路如图;该电路采用热释电红外探测传感器模块HN911探测人体的移动;V1用作延时控制,通过调节电位器R w,能改变延时控制的时间;光耦合器件MOC3020将交、直流即强、弱电隔离;当无人来到自动门前时, HN911输出端为低电平,V1无控制信号输出,双向晶闸管V2关断,开启门的负载电机不工作,门处于关闭状态；当有人来到自动门前时,HN911模块检知到人体红外能量,输出端1为高电平输出,双向晶闸管导通,负载电机工作,门被自动打开;当自动门运行到位时,由限位开关S切断电源;由于HN911模块输出端2所输出的电平正好与输出端1输出的电平相反,故可用输出端2的输出控制电机使自动门关闭第三章应变传感器1.电阻应变片的分类：1按应变片敏感栅的材料分类,可将应变片分成金属应变片和半导体应变片两大类;其中,金属应变片又分为体型箔式、丝式和薄膜型；半导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、PN结型及其它型2按应变片的工作温度分类可分为常温应变片-30～60 ℃、中温应变片60～300 ℃、高温应变片300 ℃以上和低温应变片低于-30 ℃等3按应变片的用途分类可分为一般用途应变片和特殊用途应变片水下、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等;2.常用应变片：1丝式应变片2箔式应变片3半导体应变片4金属薄膜应变片5高温及低温应变片3.1应变片电阻值R：应变片在没有粘贴及未参与变形前,在室温下测定的电阻值称为初始电阻值单位为Ω;应变片阻值有一定的系列,如60 Ω、120 Ω、250 Ω、3500 Ω和10000 Ω,其中以120Ω最为常用; 应变片电阻值的大小应与测量电路相配合;2 灵敏系数k：灵敏系数k是应变片的重要参数;k值误差的大小也是衡量应变片质量的重要标志;电阻应变片的k值及其误差一般以平均灵敏系数值k及相对均方根差σ表示：k= k +σ3 机械滞后Z j：对于已安装在试件表面的应变片,在温度恒定时,增加或减少机械应变过程中,在同一机械应变量的作用下指示应变的差数,称为应变片的机械滞后4零点漂移P：对于已安装的应变片,在温度恒定和试件不受应力作用的条件下,指示应变随时间的变化数值通常简称为零漂;应变片的零漂主要是由于绝缘电阻过低以及通过电流产生的热电势等所造成;6 蠕变θ：对于已安装的应变片,在承受恒定的真实应变情况下,温度恒定时指示应变随时间的变化数值称为蠕变;一般在室温下,加一恒定的机械应变,在一小时后的指示应变差值即为蠕变值;零漂和蠕变都是衡量应变片时间稳定性的指标;7 应变极限εlim：应变片所能测量的应变范围是有一定限度的,能够测量的最大应变值称为应变极限;其定义为：对于已安装的应变片,在温度恒定时,指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值时的真实应变值称为应变极限4.薄膜有两种分类方法： 1按薄膜厚度分类：1非连续金属膜2半连续膜3连续膜2按薄膜结构形式分类：1多晶体薄膜2单晶体薄膜3无定形薄膜5.薄膜应变传感器的特点：薄膜应变片及传感器与扩散硅等传感器相比,其制造工艺环节要少得多;它的主要制造工艺环节是成膜工艺如溅射、蒸发等;由于工艺环节较少,工艺周期较短,成品率也就较高;这是它目前获得广泛使用的主要原因之一;薄膜应变片可以同弹性体键合在一起,构成整体式薄膜传感器；也可以制成单一的薄膜应变片,再粘贴在弹性体上构成传感器;前者使用最多,它可避免后者因粘片工艺所带来的误差因素如蠕变、滞后等;薄膜应变传感器适用于航天、航空工业,以及对稳定性要求较高的测控系统中;薄膜应变片的阻值可做得很高,通常均可做到几千到几万欧姆,因而其可在低功耗的状态下工作;薄膜应变片及传感器由于制造工艺的特点,使得其参数一致性远较半导体型和扩散型的高,适于大量生产,成本低廉;耐疲劳性能良好;薄膜应变片式传感器的量程很大;6.温度漂移的补偿,补偿电路的工作过程：T↑→K↓→U sc↓,U sc↑U be↓→I b↑→I c↑→ Uce↓→ U’↑U’=U-Uce第四章磁敏传感器1.霍尔效应：半导体薄片,若在它的两端通以控制电流I,在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势U H霍尔电势或称霍尔电压;这种现象就称为霍尔效应;2.磁阻效应：将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而变化;这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应;3.形状效应：这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象,叫形状效应;4.霍尔元件是基于霍尔效应工作的;霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果;5.在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场E H,相应的电势就称为霍尔电势U H,其大小可用下式表示：6霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作,其特性不一样7.霍尔元件的电磁特性包括控制电流直流或交流与输出之间的关系,霍尔输出恒定或交变与磁场之间的关系等;8.误差分析及误差补偿：1不等位电势及其补偿2.温度误差及其补偿考简述P819.磁阻元件：长方形磁阻元件、科尔宾元件、平面电极元件、InSb-NiSb共晶磁阻元件、曲折形磁阻元件科尔宾元件的盘中心部分有一个圆形电极,盘的外沿是一个环形电极;两个极间构成一个电阻器,电流在两个电极间流动时,载流子的运动路径会因磁场作用而发生弯曲使电阻增大;在电流的横向,电阻是无“头”无“尾”的,因此霍尔电势无法建立,有效地消除了霍尔电场的短路影响;由于不存在霍尔电场,电阻会随磁场有很大的变化;10.磁敏二极管的工作原理当受到正向磁场作用时,电子和空穴受洛伦兹力作用向r 区偏转;由于r 区是高复合区,所以进入r 区的电子和空穴很快被复合掉,因而i 区的载流子密度减少,电阻增加,则Ui 增加,在两个结上的电压U p 、Un 则相应减少;i 区电阻进一步增加,直到稳定在某一值上为止;相反,磁场改变方向,电子和空穴将向r 区的对面——低无复合区流动,则使载流子在i 区的复合减小,再加上载流子继续注入i 区,使i 区中载流子密度增加,电阻减小,电流增大;同样过程进行正反馈,使注入载流子数增加,Ui 减少,Up 、Un 增加,电流增大,直至达到某一稳定值为止; 11.磁敏二极管的特性：1电流-电压特性2磁电特性3.温度特性 12. 磁敏二极管的补偿技术：互补式、差分式、全桥式、热敏电阻式;13. 磁敏三极管的工作原理：当不受磁场作用时,由于磁敏三极管基区长度大于载流子有效扩散长度,因此发射区注入载流子除少部分输入到集电极c 外,大部分通过e-i-b ,形成基极电流;由此可见,基极电流大于集电极电流,所以电流放大倍数β=I c ／I b ＜1;当受到H +磁场作用时,由于受洛伦兹力影响,载流子向发射区一侧偏转,从而使集电极电流I c 明显下降;当受到H -磁场作用时,载流子受洛伦兹力影响,向集电区一侧偏转,使集电极电流I c 增大;14.温度补偿技术：1利用正温度系数普通硅三极管进行补偿2利用磁敏三极管互补电路3采用磁敏二极管补偿电路4采用差分补偿电路15. 用霍尔元件测量电流：1 旁测法2 贯串法3 绕线法 16. 用霍尔集成传感器控制卫生间照明灯R R R 3×(a )R ×(b )×R ×(c )×(d )R R ×w R ×R 1用霍尔集成传感器控制卫生间照明灯的电路如图所示;其工作过程为：当打开门,人进入卫生间再关上门时,磁钢G离开霍尔集成传感器HG型号为CS3020,HG输出高电平脉冲,触发单稳电路A1型号为CC4013, A1的1脚输出高电平信号;这个高电平信号又触发A2型号为CC4013, A2的13脚输出高电平,经R4加到V放大,触发晶闸管VS导通,点亮灯H;进入卫生间的人经过任意一段时间,拉门出来再关上门时,磁钢G再次离开HG,使HG输出一正脉冲,触发A1使其又一次输出高电平,并使A2再次发生翻转,13脚回到低电平, V截止,引起VS截止,H熄灭;为了适应某些特殊情况,电路中特别设置了开关S;第五章压电传感器1.压电效应：某些电介质物体在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之形变时,内部会产生极化现象;同时,在表面上就会产生电荷,当外力去掉后,它们又重新回到不带电的状态,这种现象就称为压电效应;顺压电效应：有时候,人们又把这种机械能转化为电能的现象称为顺压电效应;逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场,它就会产生机械形变当去掉外加电场后,电介质的变形随之消失,这种将电能转换为机械能的现象称为逆压电效应;2.石英是晶体中性能良好的一种压电材料;在结晶学中,将石英晶体的结构用三根互相垂直的轴来表示,其中纵向轴Z称为光轴,经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X 轴称为电轴,与X轴和Z轴同时垂直的Y轴垂直于棱面称为机械轴;3.这种沿X轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“纵向压电效应”;这种沿Y轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“横向压电效应”;沿光轴方向施加力,石英晶体不会产生压电效应;4.极化处理,就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场如20～30kV ／cm 直流电场,经过2～3h 以后,压电陶瓷就具备压电性能了;5压电材料：压电晶体、压电陶瓷、新型压电材料：1压电半导体2.有机高分子压电材料6.压电片两种连接的特点及适用范围并联连接方式：q ′=2q , U ′=U , C ′=2C串联连接方式：q ′=q , U ′=2U第六章 光纤传感器1光纤的结构很简单,通常由纤芯、包层及外套组成2.根据纤芯到包层的折射率的变化规律分类,光纤被分为阶跃型和梯度型两种3.模：只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤内传播,这些光波就称为模;4.光纤的数值孔径N A ： 5. 光纤的特性：1 损耗2色散所谓光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中,由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象3 容量4.抗拉强度5.集光本领 6光纤耦合器是使光信号能量实现分路／合路的器件;耦合分为强耦合和弱耦合两种;7.按照光纤在传感器中的作用,把光纤传感器分为两种类型： 功能型或称传感型、探测型和非功能型或称传光型、结构型、强度型、混合型;8.光纤传感器构成部件：1. 光源2. 光电元件光电二极管、雪崩光电二极管、肖特基光电二极管、光电晶体管A c N n n n =-=222101sin θ第七章 光栅传感器1.光栅按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅;2.所谓光栅,是在刻划基面上等间距或不等间距地密集刻划,使刻线处不透光,未刻线处透光,形成透光与不透光相间排列构成的光电器件;3.莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的两只光栅参数相同;4.莫尔条纹特点：1位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距B 与栅距w 及两光栅夹角θ的关系为 令k 为放大系数,则 2运动对应的关系3误差减小作用 5.目前使用的细分方法有：1 增加光栅刻线密度;2 对电信号进行电子插值,把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分,即增大一个周期的脉冲数,称为倍频法;在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等;3 机械和光学细分;第八章 光电传感器1.光电传感器在工作时,通常基于三种效应：光电效应又称量子效应、热电效应又称热释电效应和波动相互作用效应;光电效应：是指通过光子物质中的电子相互作用,能直接得到电信号的一种效应; 热电效应：是指光被物质吸收,变成热量后,利用热电转换得到电信号的一种效应 波动相互作用效应：是指光作为一种电磁波,直接与物质相互作用,从而感应出电θθw wB ≈=2sin 2θ1≈=w B k。
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• ⑴直接牵5 ASTM D-4541自对准结构
• ⑵垂直牵引
图8-6 方柱形杆件的垂直牵引
• ⒉压带剥落法
图8-7 压带剥落法示意图
8.1.3 薄膜的硬度
图8-8 超显微压痕系统原理图
8.1.4 薄膜的厚度
• 薄膜的厚度大至可以分成三类：形状厚度，质 量厚度，物性厚度。 • 薄膜厚度的测量方法有很多，按照测量的方式 分可以分为两类：直接测量和间接测量。 • 常用的直接测量法：精密轮廓扫描法（台阶仪 ）。 • 常用的间接测量法：椭圆偏振法（椭偏仪）。
8.1.4 薄膜的分析
表8-1 薄膜分析常用方法
名称 特 长
SEM（扫描电子显微镜） 薄膜表面形貌，晶粒尺寸。 HREM（高分辫率电子显 微镜） AFM（原子力显微镜） XRD（X射线衍射） SADP(选区电子衍射) AES（俄歇电子能谱） EDX/EELS（X射线能量 色散谱 /电子能量损失谱） XPS（光电子能谱） SIMS（二次离子质谱） 晶粒尺寸，多层膜调制层层厚，界面状态，晶体结构/织构。 薄膜表面形貌。 多层膜调制层层厚，调制比，界面状态，晶体结构/织构， 薄膜应力状态。 晶体结构/织构。 表面几个原子层深度的元素分析，适合于除H和He以外的元 素。 空间分辨率为几个纳米微区内的成分分析。
除H元素以外表面几个原子层元素的价态和化学状态分析。 表面几个原子层全元素和同位素分析。
8.2 薄膜温度传感器
• 温度传感功能薄膜按传感机理可分为： 热电阻传感薄膜和热电偶传感薄膜。
8.2.1 热电阻传感薄膜
• 热敏薄膜的敏感材料大多数为金属，如 铜、钛、银、铝、铂、镍等。
• 通常作为保护膜的膜材为碳化硅、氮化 硅、氧化铝，而作为绝缘层是氧化铝膜 或氧化铝与氧化镁复合膜。
（d）
图8-21 磁阻型加速度传感器
（a）工作原理 （b）输出信号 图8-22 旋转式磁阻传感器
8.4.3 薄膜磁敏电阻元件 KMZ10
图8-23 KMZ10结构与等效电路
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8.4.4 MR-400、ER-450磁 阻器件
图8-24 ER-450原理框图
8.1 薄膜的测量与分析
• 8.1.1 薄膜的方块电阻
图8-1 膜层电阻
图8-2 方块电阻的测量
• 8.1.2 薄膜的附着力 • ⒈拉脱法 • 用粘接剂或焊料把杆状零件粘接在薄 膜表面后，借助拉力试验机对其施加 拉力。当薄膜从基底上脱落时，所测 得的力用来表征实际附着力。由于施 力方向不同，该方法主要有直接牵引 和垂直牵引两种形式。
图8-14 弹性元件上功能膜的分布
图8-15 恒压电桥电路
8.3.2 压电薄膜应力传感器
图8-16 PZT微悬臂梁结构
8.4 薄膜磁敏电阻传感器
图8-17 薄膜磁阻元件工作原理图
图8-18 电阻-磁场特性曲线
8.4.1 电流传感器
图8-19 电流传感器
8.4.2 机械量传感器
（a）
（b） （c） 图8-20 位移传感器
图8-13 薄膜热电偶的动态标定
8.3 薄膜力传感器
• 薄膜应变片测量原理是利用薄膜敏感材 料的压阻效应。 • 压电薄膜传感器的原理是基于正压电效 应。
8.3.1 超低温薄膜压力传感器
• 合金薄膜具有温度系数小、应变基本呈 线性、抗腐蚀性强、在-200℃下能保持 性能稳定等特点，合金薄膜电阻式压力 传感器可用于超低温下的压力测量。
图8-9 热敏电阻薄膜结构示意图
8.2.2 薄膜热电偶
• 薄膜热电偶的测温原理是基于热电效应， 通过测量由两种薄膜材料的组合而产生的 热电动势来获得被测点的温度。 • 薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的 测温传感器。
图8-10 夹板式薄膜热电偶
图8-11 BMP-Ⅰ型薄膜热电偶
图8-12 薄膜热电偶的静态标定