[嵌入式]南邮微纳传感器

第一章 传感器概述

1.1 传感器的定义（重点）

传感器：信号检出器件和信号处理部分

传感器：能够将力、温度、光、声、化学成分转换为电压、电流、电路通断

国家标准：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成

按照使用场合又称为：变换器、换能器、探测器

1.3 传感器的组成和分类（重点）

组成：敏感元件、转换元件（核心）、测量电路

传感器的分类：看PPT11（可以按照这几种分类：范畴、信号、结构、功能、转换原理、能源）

国标分类体系：物理量、化学量、生物类

指标特性：线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、稳定性、飘移

1.5 精确度（重点）

• 精密度 δ

? 随机误差大小的标志，多次测量，测量结果分散程度

• 正确度 ε

? 系统误差大小的标志，与真值偏离的大小

• 精确度 τ

? 精密度和准确度两者总和

计算方法

$$A=\frac{\Delta A}{Y_{FS}}\times 100\%$$

A: 传感器精确度等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0
ΔA: 测量范围内允许的最大绝对误差
Y_FS： 满量程输出

例题

检定一台1.5级T刻度0-100Pa压力传感器，现在发现50Pa处误差最大，误差为1.4Pa，这台传感器是否合格？

答：根据50Pa处计算精度等级：
$$A=\frac{1.4}{100?0}\times 100\%$$
1.4 < 1.5，所以该传感器合格

1.6 一般数学模型（重点）

（一）零阶传感器的数学模型

$$Y(t)=\frac{b_0}{a_0}X(t)=KX(t)$$

（二）一阶传感器的数学模型

$$\begin{gathered} 微分方程：a_1\frac{\mathrm{d}Y(t)}{\mathrm{d}t}+a_{0}Y(t)=b_{0}X(t) \\ (\tau D+1)Y(t)=KX(t) \\ 其中:\tau =\frac{a_1}{a_0},为时间常数 \\ K=\frac{b_0}{a_0},为静态灵敏度 \end{gathered}$$

第二章 光温传感器

$$温度传感器\{\begin{array}{ll}接触式测温:& \text{传感器与被测物体直接接触，被测物体热容量大}\\ 非接触式测温:& \text{优点，不从被测物体吸收热量，不干扰，反应快}\end{array}$$

2.1 温度传感器（重点）

• 温差热电偶(热电偶)：能把温度信号转换成热电动势信号

• 优点：

• 自发电型：不需要外接电源，直接驱动动圈式仪表

• 测量范围广：-270℃~1800℃

各温区热电势符合国际计量委员会的标准

• 热电效应

两种不同成分的导体或者半导体A和B组合成一个闭合回路，闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中，将会产生一个电动势

第三章 气体传感器

3.1 概念及其应用

气体传感器：检测特定气体的传感器，性能主要取决于气敏材料

3.2 气体传感器的分类（重点）

目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体（H₂、C₄H₁₀、CH₄）扩展到毒性气体（CO、NO₂、H₂S、NO、NH₃、PH₃）

按所用气敏材料及气敏特性不同，分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式

按照被测气体，分为一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮化物、氢气、氧气、酒精、硫化氢

半导体金属氧化物气体传感器具有灵敏度高、响应快等优点，现在已经成为最广泛使用的传感器

根据半导体与气体分为表面控制型和体控制型

根据半导体物理性分为电阻型和非电阻型

半导体气体传感器

原理：理用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体

表面控制型：内部化学成分不变

体控制型：内部组成发生变化，从而电导率变化

3.3 半导体气体传感器（重点）

按照半导体变化的物理特性：可分为电阻型和非电阻型

3.4 半导体气敏元件的特性参数

（1）气敏元件的电阻值

? 常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件。

（2）气敏元件的灵敏度

（3）气敏元件的分辨率

（4）气敏元件的响应时间

（5）气敏元件的加热电阻和加热功率

第四章 光纤传感器

4.4 光纤传感器的分类（重点）

• 根据光纤的传感器的作用

功能型

非功能型

拾光型

• 根据光受被测对象的调制形式

（a）强度调制型光纤传感器

（b）偏振调制光纤传感器

（c）频率调制光纤传感器

（d）相位调制传感器

4.5 光纤传感器的特点（重点）

（1）电绝缘

（2）抗电磁干扰

（3）非侵入性

（4）高灵敏度

（5）容易实现对被测信号的远程监控

4.6 光纤传感器的应用

• 强度调制型：常用于位移的光纤检测技术

• 相位调制：利用光纤本身作为敏感元件

• 偏振调制型：理用晶体的光弹性效应

第五章 声波微传感器

5.1 超声波的波形分类

纵波、横波、表面波

纵波比横波快

超声波传播速度，取决于介值的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关

在气体和液体中，仅有纵波的传播

• 声速公式：

$$声速=\sqrt{\frac{弹性率}{密度}}$$

气体和液体中（仅有纵波的传播）：
$$\begin{gathered} c=\sqrt{\frac{1}{\rho B_n}} \\ \rho ——介质的密度 \\ {B}_n——绝对压缩系数 \end{gathered}$$
固体中：
$$\begin{gathered} c_{横波}=\sqrt{\frac{E}{\rho }\frac{1}{2(1+\mu )}}=\sqrt{\frac{G}{\rho }} \\ {c}_{表面波}=0.9\sqrt{\frac{G}{\rho }} \\ {c}_{纵波}=\sqrt{\frac{E}{\rho }\frac{1?\mu }{(1+\mu )(1?2\mu )}} \end{gathered}$$

• 声波与介质的相互作用

• 机械效应：超声波可以引起质点的运动
• 空化效应：一般表现在液体中微气泡的振动
• 热效应：介质吸收超声波的能量

5.2 超声波传感器（重点）

1）超声波物位传感器

原理：理用超声波在两种介质的分界面上反射特性而制成的。从发射超声波脉冲开始，到接收器接收到反射波为止，这个时间间隔已知道，即可计算出。

根据发射和接受换能器的功能，分为：

• 单换能器：发射和接收使用同一个换能器

• 双换能器：发射和接收各由一个换能器担任

单换能器：

$$\begin{gathered} t=\frac{2h}{c} \\ h=\frac{ct}{2} \end{gathered}$$

双换能器：

$$\begin{gathered} s=\frac{ct}{2} \\ h=\sqrt{s^2?a^2} \end{gathered}$$

2） 超声波流量传感器

• 理论基础：超声波在流体中的传播速度与液体流速有关
• 特点：超声波非接触测量；无压力损失；适合于大型管道；
• 工作原理：传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法

在静止流体和流动流体中传播速度不一致，求出流体速度，再根据管道流体的截面积，求出流量。

速度计算法则，直接使用线性叠加即可，如$c=c_{静止流体声速}+c_{流速}$

• 摆放方式1

  
  $$\begin{gathered} 上述两个传感器是双转换器 \\ 顺流t_1=\frac{L}{c+v}逆流t_2=\frac{L}{c?v} \\ \Delta t=t_2?t_1=\frac{2Lv}{c^2?v^2} \\ 由于c>>v,v=\frac{c^2}{2L}\Delta t \end{gathered}$$

• 摆放方式2

$$\begin{gathered} t_1=\frac{\frac{D}{\cos \theta }}{c+v\sin \theta },t2=\frac{\frac{D}{\cos \theta }}{c?v\sin \theta } \\ \Delta \theta =t_2?t_1\approx \frac{2Lv\sin \theta }{c^2}?v=\frac{c^2}{2L\sin \theta }\Delta t \end{gathered}$$

• 摆放方式3

值得注意的是，这里使用频率来计算，频率等于时间的导数
$$\begin{gathered} f=\frac{1}{t} \\ {f}_1=\frac{c+v\cos \theta }{L},f_2=\frac{c?v\cos \theta }{L} \\ \Delta f=f_2?f_1=\frac{2v\cos \theta }{L} \\ 即可计算:v=\frac{L}{2\cos \theta }\Delta f \end{gathered}$$

5.3 声表面波传感技术

SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波

机械波：在表面传播时，能量集中在厚度不超过1个波长的表层

起初，人们发现外界因素（如温度、压力、磁场、电场、某种气体等）对声表面波传播特性会造成影响，研究这些影响与外界关系，用于测量各种化学的、物理的、生物的被测参数

利用外界物理量对声表面波的传播特性变化来测量，这其中影响的是声表面波的振动频率

• 特点：

（1）高精度、高灵敏度：因为SAW对外界物理参量非常灵敏

（2）准数字输出：以频率输出，所以不需要A/D转换

（3）微型化，低功耗：能量集中在介值表面，损耗低

（4）便于实现无线、无源化：它处于射频频段，可以进行遥测；对电磁波能量的贮存，可以实现无源化

（5）多参数敏感性，抗干扰能力强：对压力、温度、气体、湿度、电场、磁场、化学量敏感；它也是表面弹性波，不涉及内部电子，所以它抗电磁干扰能力强

（6）结构工艺好，便于大量生产：它是平面结构

第六章 化学传感器

? 化学传感器是利用化学反应将被测量转换成电量的装置。

? 重点：湿度传感器

? M系列氧化铝湿度传感器是电容式结构，在铝上用阳极氧化出多孔层，再覆上金膜，铝基片和金膜构成电极，氧化物作为介质，组成电容器结构。因为氧化物半导体粉末制成的气敏元件，有好的疏松性，利于气体吸收，其响应速度和灵敏度较好。

? 根据化学原理：$E=\Delta G/nf$，其中 $E$：电极反应的电动势，$\Delta G$：反应自由能变化

6.1 化学传感器的概念（重点）

定义：

能够将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质浓度、空气湿度等）的变化定性或定量地转换成电信号地传感器

按照转换成的电学量分类：

电位传感器、电流传感器（安培或者伏安）、阻抗（电阻型和电容型）传感器

特点：

? 由材料科学、超分子化学、光电子学、微电子学和信号处理技术相互渗透成长起来的高新技术

? 具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能够在复杂体系中进行连续监测的特点；可以高度自动化、微型化、集成化

6.3 离子敏传感器（ISFET）（重点）

按转化成的电学量分类：电位传感器、电流（安培或伏安）传感器、阻抗（电阻型和电容型）传感器

提问：离子选择性电极属于哪种电化学传感器呢？

答：电位传感器

组成

? 离子敏感器件由离子选择膜（敏感膜）和转换器两部分构成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。

器件特性

• （1）线性度：指特定测量范围内，输出电压$U_{GS}$随离子浓度变化的曲线是线性
• （2）动态响应：指离子活度阶跃变化或周期变化，$U_{GS}、I_{DS}、U_{out}$随时间变化
• （3）迟滞：指离子活度由$高\to 低、低\to 高$变化时，离子场效应管的输出重复程度
• （4）选择系数：$E_M=常数?\frac{RT}{F}\ln (a_i+K_{ij}^{pot}?a_j)$ ，就是干扰离子对待测离子的干扰，如果**$K_{ij}$越小**，离子敏传感器的选择性越好。

与传统场效应管相比较

? 不同点：离子敏场效应管没有金属栅电极，而是绝缘层上制作一层敏感膜。

分类：

• 探头式结构
• 探针式结构
• 导管复合式结构
• 背面引线ISFET结构
• SOS型结构

其它

• 不通敏感膜对离子具有选择性
• 溶液与敏感膜直接接触，栅极用参考电极构成
• 溶液与敏感膜和参比电极同时接触，构成完整的场效应管结构

6.5 化学修饰电极

LB膜

? 当分子具有疏水和亲水的官能团式，他们以可预测的方式在气液界面聚集，形成单分子膜。

离子通道传感器

固体电极上的LB膜式离子通道，上述图片介绍：其中m是离子，s是刺激离子，q是淬灭剂

? a图通道是关闭的，离子进不去；b图，刺激离子来了，通道打开，离子可进去；c图，淬灭剂来了，通道又关闭。

优点

• （1）有序超薄，能在分子水平上（纳米级别）控制其结构和物理、化学性能。
• （2）可实现分子的排列组合，组建超分子结构和超微复合材料。
• （3）可在常温常压下形成，需要的生成能量少且不破坏高分子结构。
• （4）可有效利用LB膜分子自身的组织能力形成新的化合物。
• （5）LB膜成膜材料广泛，易得。
• （6）成膜技术仪器简单

缺点

• （1）成膜效率不高，且成膜速度较慢。
• （2）LB膜耐高温性能差，机械强度低。
• （3）膜太薄，表征十分困难。

第七章 生物传感器

7.1 生物传感器概述（重点）

定义：

? 生物传感器是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元（如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等）作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。

7.2 生物传感器的结构和原理

组成：分子识别元件、转换器（换能器）、数据分析仪

7.3 生物传感器分类（重点）

1、生物敏感物质相互作用类型分类

$$作用类型\{\begin{array}{ll}被测物与分子识别，生物亲和作用:& \text{生物亲和性传感器}\\ 被测物与分子识别，测物消耗量或产物生成量:& \text{代谢型或催化型传感器}\end{array}$$

2、分子识别元件上的敏感物质分类

$$识别元件上的敏感物质?\begin{array}{ll}酶与底物作用:& \text{酶传感器}\\ 微生物代谢:& \text{微生物传感器}\\ 组织代谢:& \text{组织传感器}\\ 细胞代谢:& \text{细胞器传感器}\\ 抗原抗体反应:& \text{免疫传感器}\\ 核酸杂交:& \text{DNA生物传感器}\end{array}$$

3、信号换能器

$$信号换能器?\begin{array}{ll}电化学电极:& \text{电化学传感器}\\ 离子敏场效应晶体管:& \text{离子敏场效应传感器}\\ 热敏电极:& \text{热敏电阻传感器}\\ 压电晶体:& \text{压电晶体传感器}\\ 光电器件:& \text{光电传感器}\\ 声学装置:& \text{声学传感器}\end{array}$$

4、光纤生物传感器信号转换器

• 组成：光纤和生物敏感膜

• 如何测试：

传感器插入溶液中

光通过光纤到达传感端

传感膜生物活性成分和待测组分相互作用

导致光学性质变化

• 介绍

将酶、辅酶、生物的受体、抗原、抗体、核酸、动植物组织或细胞、微生物等敏感膜

装在光纤、平面波导或毛细血管上

对样品中的待测物质进行选择性识别

再转换为光信号输出

• 特点

轻、细长、小

抗电磁干扰、适用高温高压、易燃易爆、强电强磁和强放射性中应用

应用范围广、成本低、操作简单；

第八章 光电传感器

8.1 概述（重点）

? 以光电效应为基础，将光信号转成电信号的传感器。具有这种转换功能的材料称为光敏材料，做成光敏器件。

? 光敏器件种类：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等

• 特点

反应速度快，实现非接触测温

精度高，分辨力高，可靠性好

体积小，重量轻，功耗低，便于集成

广泛用在军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等领域

? 光电传感器在工业上的应用分为可归纳成辐射式（直射式）、吸收式、遮光式、反射式四种基本形式

8.2 光电倍增管（重点）

? 利用外光电效应和二次电子发射效应，将微弱信号转换成电信号的真空管。阴极和阳极总电压差达到几千伏。

? 入射光微弱，光电管产生光电流小

? 光电倍增管：放大光电流

? 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极

? 阴极发射的光电子以高速发射导倍增极上，引起二次电子发射

? 二次电子发射系数$\sigma =二次发射电子数/入射电子数$，若倍增极有 n，则倍增率为${\sigma }^n$

• 工作原理：

入射光照射，阴极发射光电子以高速射到倍增极上

引起二次电子发射

在阴极和阳极电场作用

逐级产生二次电子发射

8.3 光敏电阻（重点）

? 具有光电导效应的材料可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类期间被称为光电导器件，简称PC。

工作原理和结构

? 光敏电阻纯粹式一个电阻器件。
$$工作原理\{\begin{array}{ll}无光照时:& \text{电阻值大，称为暗电阻，电流小}\\ 有光照时:& \text{电阻值小，称为亮电阻，电流大}\end{array}$$

主要参数和基本特性

• 主要参数：

暗电阻：光敏电阻未受光照的阻值

暗电流：光敏电阻未受光照流过的电流

亮电阻：光敏电阻受到光照的阻值

亮电流：光敏电阻受到光照的电流

光电流：亮电流与暗电流之差

光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，性能越好。

• 基本特性：

伏安特性

光照特性

光谱特性

响应时间和频率特性

温度特性